Mi sem jellemzi jobban a definíciók sokféleségét, mint hogy az USA Kongresszusa is szükségét érezte a fogalom definiálásának1984-ben:

Átírás

1 És Noé megházasodott és szolot ültetett és ivék a borból és lerészegedék és meztelen vala sátrának közepén (GENEZIS 9, ) BEVEZETÉS. A BIOMÉRNÖK ÉS A BIOTECHNOLÓGIA. A biotechnológia definiálása, meghatározása nem könnyu, minden definíció a meghatározó szájíze szerint elfogult. Vannak akik csak az úgynevezett modern biotechnológiát tekintik biotechnológiának, azaz a génmérnökség produktumait, míg mások sokkal szélesebben értelmezik a fogalmat. Mi az utóbbi módon tekintjük ezt a tudományágat, elfogadva a IUPAC által javasolt definíciót, amely az EFB (European Federation of Biotechnology) által 1981-ben elfogadott definícióval azonos: A BIOTECHNOLÓGIA a BIOKÉMIA, MIKROBIOLÓGIA és a MÉRNÖKI TUDOMÁNYOK integrált alkalmazása mikroorganizmusok állati és növényi sejtek/szövetek vagy ezek részeinek (pl. enzimeinek) technológiai felhasználása céljából. Mi sem jellemzi jobban a definíciók sokféleségét, mint hogy az USA Kongresszusa is szükségét érezte a fogalom definiálásának1984-ben: Biotechnologies are commercial techniques, that use living organisms or substances from those organisms, to make or modify a product, including techniques used for the improvement of the characteristics of economically important plants and animals and for the development of microorganisms to act on environment (Congress of the USA, 1984) A biotechnológia kifejezést egy polihisztor magyar mérnök, Ereky Károly 1 találta ki és vezette be 1919-ben és a következoképpen definiálta: Biotechnológia minden munka, amellyel alapanyagokból termékeket állítunk elo élo organizmusok segítségével. 1 Ereky Károly, Esztergom, okt Vác, 1952.): politikus, miniszter, gépészmérnök, közgazdasági szakember. Tanulmányait a bp.-i Muegyetemen végezte, 1905-tol az egyetem adjunktusa ben megalapította az állatértékesíto egyesületet, 1912-ben pedig a nagytétényi sertéshízlaldát. Részt vett a Csilléry-Friedrich-féle ellenforradalmi csoport szervezkedésében. A Friedrich-kormányban aug. 27-tol nov, 24-ig közélelmezési miniszter. A nemzetgyulésbe a Keresztény Nemzeti Egyesülés Pártja 9

2 Ezt a korát messze megelozo jó definíciót Ereky avval is megtetézte, hogy szerinte a kokorszak és a vaskorszak mintájára majd egyszer egy bio-korszak is eljön. Sokak szerint ma már jócskán e korban élünk. Természetesen ez az osdefiníció és a fentebb ismertetett modernebb értelmezések se örökéletuek, folyamatos revideálásra szorulnak, hiszen a biotechnológia fejlodése rendkívül gyors, hatóterülete egyre bovül, az alapveto lényeg megmaradása mellett a definíciót állandóan finomítani kell ben az OECD egy un. statisztikai biotechnológia definíciót adott, amely meglehetosen szélesen értelmezi a biotechnológia hatókörét: the application of science and technology to living organisms, as well as parts, products and models thereof, to alter living or non-living materials for the production of knowledge, goods and services. Ezt egy listával egészítették ki, amely lista a pillanatnyilag a területhez értendo technikákat, metodikákat, eljárásokat, megközelítéseket tartalmazza. Így a fejlodéssel egyidejuleg e listaalapú definíció is tovább alakítható, kiegészítheto. A teljesség igénye nélkül az alanti felsorolás e lista néhány fontosabb elemét tartalmazza. E listát mint magyarázó útjelzést kell tekinteni az egyszeru definícióhoz. DNS/RNS: Genomika, farmakogenomika, genetic engineering, DNS/RNS sekvenálás/szintézis/amplifikáció, gene expresszió profiling, antisense technológia. Fehérjék és egyéb molekulák: Fehérjék és peptidek (nagymolekulájú hormonok) szekvenálása/szintézise és engineering-je, proteomika, fehérje kinerés és tisztítás, signaling, sejtreceptorok azonosítása. Sejt és szövettenyésztés és engineering (beleértve a biomedical engineeringet is) Sejtfúzió, vakcina/immunstimuláns termelés, embrió manipuláció. Biotechnológiai folyamatok, technikák:fermentáció, bioreaktorok, biobányászat, bioleaching, bioremediáció, bio(lógiai)szürés, fitoremediáció. Gene terápia, virus vektorok gyógyászati felhasználása. Bioinformatika: genomok, fehérjeszekvenciák, szerkezetek adatbázisai, komplex biológiai folyamatok modellezése, rendszerbiológia. Nanobiotechnológia: nano- és mikromanipulációs technikák alkalmazása olyam szerkezetek eloállítására, amelyekkel a biorendszerek mélységükben tanulmányozhatók, és felhasználhatók pl. hatóanyagbejuttatásra, diagnosztikára. A biotechnológia egy interdiszciplináris alkalmazott tudomány. A kölcsönhatásokat illetve az alkalmazott alap diszciplinákat vázlatosan az 1. és 2. ábrán mutatjuk be. programjával került be, az 1922-i választásokon megbukott és visszavonult a politikai élettol. Elnöke volt a Magyar Gyorsírók és Gyorsírás Barátai Budai Egyesületének. Forrás: Életrajzi lexikon 10

3 mérnöki tudományok biológia bioengineering biotechno- lógia biokémia vegyészmérnöki tudományok kémia 1.ábra A biotechnológia interdiszciplináris BIOLÓGIAI TUDOMÁNYOK MÉRNÖKI TUDOMÁNYOK BIOLÓGIA MIKROBIOLÓGIA GENETIKA BIOFIZIKA BIOKÉMIA ENZIMOLÓGIA IMMUNOLÓGIA KÉMIA VEGYIPARI MÛVELETEK GÉPTAN MÉRÉS- ÉS SZABÁLYO- ZÁSTECHNIKA ÜZEM-TERVEZÉS ÜZEMSZERVEZÉS BIOTECHNOLÓGIA 2.ábra Kapcsolat az alapdiszciplínák és a biotechnológia között A biomérnök feladatai e komplex tudománnyal kapcsolatban abból a ténybol adódnak, hogy a bioeljárásokat a valóságban, termelo ipari léptékekben muködtetni kell, ami azt jelenti, hogy a 11

4 laboratóriumi folyamatok léptéknövelését meg kell valósítani, az ipari termelo technológiákat meg kell tervezni és meg kell valósítani és a már muködo technológiákat optimális szinten üzemeltetni kell. Mindeközben minden szinten meg kell felelni rendkívül szigorú minoségbiztosítási és validálási követelményeknek. Mielott a biotechnológiai eljárások néhány jellemzojével megismerkednénk, vessünk egy pillantást az 1.Táblázatban található történeti összefoglalásra, amelyben a hagyományos és modern biotechnológia kialakulását és fejlodésének legjelentosebb állomásait foglaltuk össze. 1.táblázat A biotechnológia vázlatos története (a genetika és biokémia/fiziológia fejlodésének néhány sarokpontjával) Kr.e Egyiptom,Babilon,Kína: kenyérkelesztés kovásszal Alkoholos erjesztett italok (gyümölcslé, tej). Sörkészítés. Satkészítés. Eceterjesztés Kenyérkészítés. Egyiptomi Sírfestmény, Théba Kr.e körül Monument Blau, agyagtábla, Kr.e.2500 körül Sumér Birodalom. Sörkészítés és Söráldozat Nin-Harra istennonek. (Louvre) 12

5 Kr.e Borkészítés Asszíriában 500 Az elso antibiotikum: penészes szójatúrót használnak gyulladásokra, kelésekre Kínában 420 Szokratész (470?-399): a genetika elso problémája: miért nem hasonlítanak a fiak mindenben apjukra? Idoszámítás kezdete körül Sörkészítés a keltáknál és germánoknál Kr.u. 100 körül Az elso inszekticid: porított krizantém (Kína) Kr.u. 3.század Marcus Aurelius Probus szolotelepítés Germániában Kr.u Alkohol elõállítás borból 1300 Mexico:az Aztékok algát aratnak a tavaikból élelmi felhasználásra 1320 Egy arab törzsfo eloször alkalmaz mesterséges megtermékenyítést szuper ló kitenyésztése céljából 14. század Ecetmanufaktúra Orléans közelében 1590 Janssen: mikroszkóp feltalálása 1630 William Harvey megállapítja, hogy a növények és állatok egyaránt szexuálisan szaporodnak után Mesterséges gombatenyésztés Franciaországban 1663 Hooke: sejtek létezésének felfedezése 1680 körül Antoni van Leeuwenhoek( ): mikroszkóp, spermium, éleszto, baktérium Antoni van Leeuwenhoek és mikroszkópja 9

6 1700 Camerarius bizonyítja, hogy a virágoknak is vannak szexuális szervecskéik Koelreuter leírja az elso különbözo fajtájú növények közötti keresztezést 1796 Edward Jenner kifejleszti az elso vakcinát a himlo ellen (vaccinus= tehénbol eredo) 1818 Erxleben felfedezi az élesztõk erjesztõképességét 1838 Schleider/Schwann:sejtelmélet"Every cell arises from a cell." 1857 Pasteur: a fermentációért mikrobák, élesztok a felelõsek, a tejsavas erjedés leírása Louis Pasteur ( ) 10

7 1858 Traube feltételezi, hogy a fermentációt enzimek végzik Darwin: On the origin of species Charles Darwin ( ) Pasteur feltalálja a pasztõrözést Mendel kifejti törvényeit. Gregor Mendel ( ) 1879 Hansen felfedezi az Acetobactereket 1881 Tejsav fermentációs elõállítása 1882 R.Koch azonosítja atb-t okozó baktériumot ~1885 Mesterséges gomba termesztés az USA-ban 1893 Koch és Pasteur a fermentációs eljárást szabadalmaztatja 10

8 Robert Koch ( ) 1897 Buchner megállapitja, hogy az élesztoben erjeszto enzimek vannak Eduard Buchner ( ) 19.század vége Az elso kommunális szennyvíz tisztítótelepek megépülnek Berlinben, Hamburgban, Münchenben Párizsban és egyebütt körül A kromoszóma elmélet általánossá válik 1902 Az IMMUNOLÓGIA fogalom megjelenése 1906 Paul Ehrlich: Salvarsan, az elso kemoterapeutikum GENETIKA fogalom bevezetése 1908 Calmette és Guerin: BCG vakcina a TBC ellen (bevezetve:1921) 1910 Thomas H.Morgan bizonyítja, hogy a gének a kromoszómákon lokalizálódnak 9

9 Thomas H.Morgan ( ) 1915 A pékéleszto gyártás un. német eljárása Pékéleszto és takarmányéleszto nagyvolumenu gyártása Delbrück, Hayduck és Hanneberg vezetésével 1916 Weizmann eljárása az Aceton-Butanol fermentációra. Chaim Weizmann ( ) 1915 Eloször találnak bakteriofágot, baktériumvírust 1915/16 Szulfitos eljárás glicerin fermentációra 1919 A BIOTECHNOLÓGIA szó eloször jelenik meg nyomtatásban: Ereky Károly magyar gépészmérnök tollából. Ereky Károly ( ) 1920-tól Felületi citromsav fermentáció 1928/29 Fleming felfedezi a penicillint 9

10 Sir Alexander Fleming( ) 1937 Mamoli és Vercellone felfedezik a mikrobiális transzformációk lehetõségét 1938 Franciaországban-ban elkezdik gyártani a B.thuringiensis toxin inszekticidet A molekuláris biológia kifejezés megszületik 1941 Beadle-Tatum: egy gén egy enzim elmélet 1941/44 Az penicillin ipari gyártása elkezdodik 1944 Schatz és Waksman felfedezik a streptomicint Sanger bevezeti a kromatográfiát az inzulin aminosav szekvenálására Avery bizonyítja, hogy DNS hordozza a genetikai információt 1946 Tatum/Lederberg felfedezik a konjugációt. Edward Lawrie Tatum ( ) ( ) Joshua Lederberg 1948 Duggar felfedezi a klórtetraciklint 1949 Szubmerz ecetsav termelés megindul 10

11 B 12 vitamin fermentációs eloállítása Ipari léptéku biotranszformációk kezdete 1953 Watson, Crick és Wilkins felfedezik a kettos spirált Watson Crick Wilkins 1955 Az állati szövet kémiailag definiált közegben szaporítható 1956 Kornberg felfedezi a DNS polimeráz I enzimet 1957 Kinoshita és munkatársai: glutaminsav fermentáció 1959 JACOB és MONOD :genetikai (génszintu) szabályozás felfedezése 10

12 François Jacob ( ) Jacques Monod ( ) 1955/60 Szubmerz citromsav fermentáció 1960 Növények vegetatív mikroszaporítása 1961 Nierenberg poly-u szintézise, UUU=Phe Watson/Crick/Wilkins Nobel díjat kapnak Egér és emberi sejtet fúzionáltatnak 1966 A genetikai kód megfejtése 1969 Az elso in vitro enzim szintézis 1970 Eloször izolálnak reverz transzkriptázt 1971 Protoplasztból a növény regenerálható 1972 Elso sikeres DNS klónozás 1973 Rekombináns DNS módszerek-"genetic engineering" 1975 Moratórium Asilomarban az rdns kísérletekre Elso monoklonális AB termelése 1976 GENENTECH-az elso géntechnikai vállalat. Restrikciós enzimek felfedezése 1977 Genentech bejelenti az elso humán fehérje baktériummal történo eloállítását: szomatosztatin 1978 Paradicsom és burgonya szomatikus hibridizációja (POMATO) 1980 A Chakrabarty eset: az USA megengedi genetikailag módosított létforma szabadalmaztatását PCR szabadalmaztatása (CETUS) 1981 Az elsõ transzgénikus emlos (egér) 9

13 1982 Humán inzulin - az elsõ kereskedelmi rdns készítmény 1992 Birka klónozás: az állati sejt is totipotens. A klasszikus és modern biotechnológiai eljárások sokféleségét a következo néhány táblázatos összeállítással reprezentáljuk (2.-12.táblázat), bemutatva egy sor terméket, termelo organizmust, termelési statisztikát. Utóbbiból kiviláglik, hogy a biotechnológiai iparok egy komoly nagyipart jelentenek, hatalmas termelési kapacitással és tetemes termelési értékkel. A 10. táblázatban az antibiotikumoknak csak egy-egy jellemzo csoportreprezentánsára utalunk, az ismert antibiotikumok száma ma már több ezer! 10

14 2.táblázat Fermentált élelmiszeripari termékek TERMÉK ALAPANYAG MIKROORGANIZMUS alkoholos italok szolo Saccharomyces cerevisiae alma,..(egyéb gyümölcsök) maláta burgonya,ganonafélék nem alkoholos élelmiszerek ecet bor, maláta, etanol Acetobacter aceti, A.pasteurianum, A.hansenii Gluconobacter oxydans savanyúkáposzta fejeskáposzta Leuconostoc mesenteroides Lactobacillus plantarum Lactobacillus brevis olivabogyó oliva Pediococcus, Lactobacillus savanyú kovász rozs és búzaliszt Lactobacillus sanfranzisko Lactobacillus brevis, L.plantarum L.fructivorans, L.fermentum Torulopsis holmii, S.cerevisiae Pichia saitoi, Candida crusei sütoipari termékek...liszt Saccharomyces cerevisiae élvezeti termékek kakaó kakaóbab élesztok, tejsavas baktériumok, ecetsavas baktériumok, bacillusok kávé kávébab Enterobacter, tejsavbaktériumok, élesztok tea, dohány (endogén enzimek) Pediococcus sp. szójaszósz rizs,liszt,szója Aspergillus orizae, Lactobacillus, Torulopsis sp. Zygosaccharomyces rouxii, 11

15 tejtermékek tejföl tej Streptococcus lactis ssp cremoris, Str.lactis ssp diacetylactis, Leuconostoc mesenteroides ssp cremoris joghurt tej Streptococcus salivarius ssp thermophilus Lactobacillus delbrueckii ssp bulgaricus kefír tej Candida kefir, Lactobacillus kefir, Lactobacillus acidophilus,streptococcus lactis "lágy sajtok" tej Penicillium caseicolum, P.camemberti, Penicillium roquefortii "kemény sajtok" tej Streptococcus salivarius ssp thermophilus Lactobacillus helveticus Propionibacterium freudenreichii húsáruk kolbászfélék hús Lactobacillus spp, Staphylococcus spp, Micrococcus varians sonkafélék disznóhús Vibrio costicola, Staphylococcus spp 12

16 KONCENRTÁCIÓ g/dm viz etanol AMINOSAVAK PENICILLIN CITROMSAV TREONIN PROTEÁZ AMILÁZOK RENNIN ANTIBIOTIKUMOK KUTATÁSI ÉS DIAGNOSZTIKAI ENZIMEK NAGYVOLUMENÛ ENZIMEK CEFALOSPORIN INZULIN TERÁPIÁS ENZIMEK LUCIFERÁZ MONOKLONÁLIS ANTITESTEK VIII.FAKTOR UROKINÁZ eladási ár $/kg 13

17 3.táblázat Biotechnológiai termékek az élelmiszeriparban termék felhasználás termelo mikroorganizmus (forrás) gyümölcssavak citromsav E italok, dzsemek,szörpök Aspergillus niger tejtermékek Candida lipolytica itakonsav margarin Aspergillus terreus glükonsav sütopor, kolbász Aspergillus niger fémtisztítás Penicillium chrysogenum fumársav E desszert,tejtermékek Rhizopus, Mucor húskészítmények almasav E italok, dzsemek, zselék, Aspergillus niger, cukorkák, olajok, kenyérkész. Pen. brevicompactum élesztok borkosav E italok, desszertek,zselék Penicillium notatum Aspergillus griseus borostyákosav E ízesíto, K-,Ca-,Mg-sók mint NaCl helyettesítok Rhizopus,Mucor,Fusarium tejsav E270 gyümölcslé, majonéz,desszertek, Lactobacillus sütoipar, tejtermékek és hús- delbrueckii készítmények aminosavak Glu E620 izerosíto, ízesíto Corynebacterium glutamicum Brevibacterium flavum Lys étel-kiegészítés Corynebacterium glutamicum Trp antioxidáns Corynebacterium glutamicum vitaminok kobalamin (B 12 ) élelm. kiegészítés Propionibacterium shermanii riboflavin (B 2 ) E101 " Ashbya gossipii Eremothecium ashbii β-karotin " Blakeslea trispora aszkorbinsav E300 " biotranszformáció (pl.gluconobacter) izesíto anyagok inozinsav (IMP) E630 ízkiemelo, levesporok, Brevibacterium ammoniagenes konzervek... Corynebacterium glutamicum 14

18 gélesíto anyagok alginát E400 fagylalt,puding,habok Acetobacter vinelandii Pseudomonas aeruginosa xantán E415 italok,ömlesztett sajt, krémsajt, Xantomonas campestris pudding,dresszingek, emulzió stabilizálás pektin E440 jamok,fagylalt, sajt,majonéz alma,citrusfélék enzimek glükóz izomeráz fruktóz szirup, izocukor Arthrobacter sp, B.coagulans β-glukanáz lészurés B.circulans, A.niger... β-glükozidáz " Trichoderma harzianum β-galaktozidáz tejcukor eltávolítás A..oryzae, Kluyveromyces fragilis α-amiláz keményítobontás B.licheniformis, A.niger glükoamiláz " A.niger, Rhizopus oryzae pektináz gyümölcslé szurés, bor- A.niger, A. oryzae, klarifikálás Penicillium simplicissimum kataláz H 2 O 2 felesleg eltávolítás pl. Micrococcus lysodeicticus tejbol glükózoxidáz O 2 eltávolítás konzervekbol A.niger rennin tejalvasztás sajtgyártás borjúgyomor, Bacillus spp. proteázok tésztagyártás, italgyártás, Bacillus cereus, B.subtilis, sajtgyártás, húskészítmények szójakészítmények B.licheniformis, A.orizae lipázok sajtízesítés, fehérjék zsírmentesí- Candida lipolytica, tése, zsírsavak, zsírok és olajok Aspergillus niger észterezése Mucor javanicus antocianáz borok színtelenítése növényi eredetu lyzozim késoi sajtfelfúvódás tojás megakadályozása 15

19 4.táblázat Nagy mennyiségben termelt mikroba eredetu enzimfehérjék és a termelo mikroorganizmusok α-amiláz β-amiláz amyloglükozidáz cellulázok glükóz-izomeráz glükóz-oxidáz α-d-glükozidáz lipázok pektinészteráz savas proteináz alkalikus proteináz neutrális proteiáz pullulanáz poligalakturonáz penicillin aciláz Bacillus amyloliquefaciens, Thermobacterium sp. B. polymyxa Aspergillus niger Trichoderma reesei Streptomyces oligochromogenes B. coagulans A.niger A. niger A. niger Candida cylindraceae Geotrychum candidum Rhizopus arrhizus, Mucor sp. A.orizae A. saitoi A.orizae B.amyloliquefaciens Bacillus stearothermophylus Aerobacter aerogenes A. niger E. coli 5.táblázat Mikroba termelte nemfehérje polimerek és termelo mikrobák alginát cellulóz curdlan dextrán foszfomannán poli-β-hidroxibutirát Azotobacter vinelandii Acetobacter sp. Agrobacterium sp. Leuconostoc mesenteroides Hansenula capsulata Alcaligenes eutrophus 16

20 szkleroglukán xantán Sclerotium glucanicum Xantomonas campestris 6.táblázat Mikroba termék aminosavak és a termelo mikroorganizmusok D,L-alanin L-arginin L-citrullin L-glutaminsav L-hisztidin L-izoleucin L-leucin L-lizin L-metionin L-ornitin L-fenilalanin L-prolin L-treonin L-triptofán L-tyrozin L-valin L-szerin Brevibacterium flavum Brevibacterium flavum Bacillus subtilis Brevibacterium flavum Corynebacterium glutamicum Corynebacterium glutamicum Brevibacterium flavum Brevibacterium lactofermentum Corynebacterium glutamicum Brevibacterium flavum Microbacterium ammoniaphilum Brevibacterium lactofermentum Corynebacterium glutamicum Corynebacterium glutamicum Brevibacterium flavum Corynebacterium glutamicum Brevibacterium lactofermentum Corynebacterium hydrocarboclastus 7.táblázat Mikrobák termelte szerves savak és a termelo mikrobák ecetsav D-arabino-aszkorbinsav Acetobacter aceti Penicillium notatum 17

21 citromsav eritorbinsav fumársav glükonsav itakonsav 2-keto-glükonsav α-keto-glutársav 2-keto-L-gulonsav tejsav L-almasav Aspergillus niger Penicillium cyaneofulvum Rhizopus delemar Aspergillus niger Aspergillus terreus Serratia marcescens Candida hydrocarbofumarica Gluconobacter melanogenus Lactobacillus lactis, Brevibacterium ammoniagenes 8. táblázat Illatanyagok ánizsaldehid ánizs Trametes sauvolens benzaldehid mandula Trametes sauvolens benzil-alkohol gyümölcs Phellinus igniarius citronellol rózsa Ceratocystis varispora γ-dekalakton barack Sporobolomyces odorus diacetil vaj Streptococcus diacetylactus p-metil-benzil-alkohol jácint,gardenia Mycoacia uda Me-p-metoxi-fenilacetát ánizs Trametes ordorata Me-fenilacetát méz Trametes ordorata 6-pentil-α-piron kókusz Trichoderma viride tetrametil-pirazinok dió Corynebacterium glutamicum 9.táblázat Egyéb, vegyes mikroba-termelte vegyületek antipain proteáz-inhibitor Streptomyces sp. karotenoidok pigmentek,provitaminok Dunaliella bardawil(alga) emulzán emulgeálószer Acinetobacter calcoaceticus Giberellinek növényi hormonok Giberella fujikuroi herbicidin herbicid Streptomyces saganonensis indigo pigment Escherichia coli inosin izfokozó(ételizesito) Bacillus subtilis lizergsav ergotalkaloid származékok Clariceps paspali 18

22 B 12 vitamin Propionibacterium shermanii sikonin gyógyszer,színezék Lithospermium sp. 10.táblázat Antibiotikumok Antibiotikum Típus Termelo törzs Bacitracin polipeptid Bacillus licheniformis CefalosporinC polipeptid Cephalosporium acremonium Klórtetraciklin Streptomyces aureofaciens Griseofulvin spirociklohexén Penicillium griseofulvum Gentamicinek aminoglikozid Micromonospora purpurea Streptomicin aminoglikozid Streptomyces griseus Nistatin tetraén Streptomyces aureus Oleandomicin makrolid Streptomyces antibioticus PenicillinG laktám Penicillium chrysogenum Tirocidin ciklikus polipeptid Bacillus brevis Vankomicin glikopeptid Streptomyces orientalis 11.táblázat rdns termékek TERMÉK Humán inzulin Humán interferonok ( α-,β-,χ-ifn) HGH (emberi növekedési hormon) FELHASZNÁLÁS cukorbaj antivírus/antitumor terápia törpenövekedés 19

23 Hepatitisz B vírusprotein Urokináz L-fenil-alanin α-amiláz Állati növekedési hormonok Száj-és körömfájás vírusprotein E.coli K-88 és K-99 protein L-triptofán L-treonin Véralvadás VIII és IX faktora Eritropoietin (EPO) Humán szérumalbumin Humán gonadotrop anyagok (hcg,hmg) A herpesz, a malária és az influenza fehérje-antigénjei Immunglobulinok Limfokinek, elsôsorba interleukin-2 Szöveti Plasminogen Aktivator (TPA) Tumor Nekrosis Faktor (TNF) Borjúoltó (rennin) Indigó és acet-aminofen-származékok vakcina elôállítás trombolitikus hatás az aszpartám édesítôszer elôanyaga keményítôhidrolizálás (maltózszirup) tej/hústermelés fokozása állatgyógyászati vakcina vakcina a borjú és malacneveléshez (toxin okozta hasmenés) takarmánykiegészítô takarmánykiegészítô hemofilia anémia, krónikus veseelégtelenség esetén vérkiegészítô anyag terméketlenség vakcina monoklonális antitestek az immunrendszer serkentése (baktérium/vírusfertôzések,antitumor-terápia) trombolitikus hatás antitumor-terápia sajtgyártás Kemikáliák, fájdalomcsillapítók alapanyagai 12.táblázat A fermentációs ipar termelése évi adatok szerint termék évi termelés világértékesités 1000 t/év millió $ /év etilalkohol nátrium-glutamát citromsav

24 L-lizin glükonsav 50 nincs adat ionofór mosószerek humán inzulin humán növekedési hormon nincs adat 375 eritropoietin nincs adat ábra A biotechnológiai termékek kereskedelmi értékének és a koncentrációjának összefüggése A 12. táblázat adataiból, valamint a 3.ábra mutatta képbol világos, hogy a biotechnológiai iparok által termelt termékek volumene és termelési illetve kereskedelmi értéke rendkívül széles határok között mozog és utóbbit elsosorban két tényezo határozza meg: a keresettség, illetve a felhasználási mennyiség igény (itt gondoljunk a mosószer proteináz és a humán növekedési hormon szükséges évi felhasználási mennyiségének különbségére), valamint a fermentáció végén, a fermentlében hozzáférheto, a feldolgozást nagymértékben befolyásoló termék koncentráció (amelyek az ábra szerint a néhány száz gramm per litertol a néhány miligramm per liter tartományba esnek). A biotechnológiai ipar fejlodése rendkívüli és már ma is egy igen nagy termelési értéket reprezentáló iparágnak számít. Egy 2005-ben készült piaci elemzés ( szerint a teljes fermentációs ipar méretét az évi 14,1 milliárd dollár jellemzi, amelyet 2009-re 17,8 milliárdra prognosztizáltak. Ezen belül a nyers antibiotikumok piaca volt a legnagyobb (l. 4.ábra): 5 mrd $, ami érdekes módon ugyanannyi mint 1998-ban és ez a növekvo termelés melleti árcsökkenéseket jelez. Az aminosav piac volt a második legnagyobb és közel leggyorsabban növekvo piac, míg 2004-ben 3,5 mrd volt addig 2009-re 5 mrd-ot jósolnak. A harmadik legnagyobb piaci szereplo a szerves savak köre, amelynek felfutását 3 mrd dollárra várják 21

25 ábra A fementációs termékek volumene 2004-ben és várható értékei 2009-ben ( Érdekes megtekinteni a hivatkozott elemzés fejezetcímeit, amelyek a legfontosabb biotechnológiai termékeket illetve termékcsoportokat jelentik az 2004-évi piaci analízisben: ß- laktám antibiotikumok, nem ß-laktám antibiotikumok, citromsav, glükonsav, tejsav, itakonsav, lizin, treonin, triptofán, Na-glutamát, xantán, ipari enzimek, riboflavin, cianokobalamin, eritorbinsav, karotinoidok: ß-karotin, asztaxantin, likopén és finomkemikáliák. Ezen általános bevezetés után tegyük fel azt a kérdést, most már a biomérnök szemszögébol, hogy mik ma a biotechnológia lehetoségei, milyen célúak lehetnek a biotechnológiák, majd vizsgáljuk meg, hogy mik a feltételei egy-egy ilyen technológia megvalósításának. Az e kérdésekre kapható válaszok egyértelmuen ki fogják jelölni azokat a muveleteket, folyamatokat és tárgyköröket, amelyeknek megismerése egy biomérnök számára elengedhetetlen és amelyek egyszersmind kijelölik további tárgyalásunk tematikáját is. A modern fermentáció/biotechnológiai eljárások céljai/lehetoségei a termékek csoportosítása szerint tehát a következok: SEJTTÖMEG TERMELÉS - pékéleszto, SCP 1 SEJTKOMPONENSEK ELOÁLLÍTÁSA - intracelluláris 1 SCP= Single Cell Protein, egysejtfehérje 22

26 enzimek, nukleinsavak, poliszaharidok,rdns termékek, METABOLIT TERMELÉS - PRIMER: etanol, tejsav,.. - SZEKUNDER:antibiotikumok EGYSZERU SZUBSZTRÁT KONVERZIÓ: glükóz fruktóz penicillin 6-NH 2 -penicillánsav MULTI-SZUBSZTRÁT KONVERZIÓ: biológiai szennyviztisztitás Valamennyi termék típus esetében az alapanyagokat és segédanyagokat (a biomérnök szóhasználatával: a szubsztrát(um)okat ) alakítja át az organizmus vagy annak valamely része egy vagy többlépcsos reakciókban a kívánt haszontermékké. Ilyen értelemben bármelyik típus esetében tekinthetjük a sejteket vagy azok átalakítást végzo alkotó elemeit katalizátoroknak, amelyek amellett, hogy elvégzik az átalakítást, alkalmasint maguk is átalakulhatnak: szaporodhatnak, növekedhetnek. Az átalakító katalizátor, a szubsztrátok és a termékek függvényében beszélünk de novo fermentációs folyamatokról illetve biotranszformációról, biokonverzióról. Elobbi esetben szaporodó vagy nem szaporodó sejtek (mikroorganizmusok, állati vagy növényi sejtek) 1 végzik a termék képzését (amely lehet a saját sejtanyaguk is) összetett táptalajon, tápoldaton illetve tápoldatban, míg utóbbi esetben egy egyszeru konverzióval A anyagból a sejt vagy alkotórésze (enzime) egy másik B anyagot állít elo. (4. ábra) 4.ábra A termékképzo folyamat fajtái Azok a muveletek, amelyek egymásutánisága az elobbi folyamatokat jelenti, alapvetoen két csoportba sorolhatók: 1 E jegyzetben sokszor csak mikroorganizmusokról beszélünk, de az esetek nem kis részében egyaránt igazak megállapításaink növényi és állati sejttenyészetekre is. 23

27 UP STREAM muveletek: ezek a tenyésztéshez/átalakításhoz közvetlenül kapcsolódó muveletek: tápoldat(reakcióelegy) készítés, sterilezés, tenyésztés(reakció) optimális környezeti körülményeinek biztosítása, anyagátadási és hoátadási muveletek, stb. DOWN STREAM muveletek: a léfeldolgozás, azaz a termék kinyerésének és tisztításának muveletei, a melléktermékek feldolgozása, a környezet mentesítése: szennyvíztisztítás. Az 5. ábrán egy steril fermentációs folyamat létrehozásának feltételeit mutatjuk be és ezen az ábrán néhány muveletet is felismerhetünk azok közül, amelyekrol a jegyzet további fejezeteiben részletesen szólunk majd. Mindenekelott termelo törzsre van szükség egy eljárás megvalósításához (1). A törzsizolálásról, a törzsfejlesztéssel kapcsolatos klasszikus és modern genetikai módszerekrol, a termelo törzsek konzerválásáról, a termeloképesség idorol-idore szükséges ellenorzésérol e jegyzetben nem szólunk, ezek más biomérnöki stúdiumok tárgyai (Mikrobiológia, Ipari mikrobiológia, Mikrobiális genetika, Génmérnöki ismeretek stb). A második feltétel a megfelelo termelo tápanyagok (a nyersanyagok), kiválasztása, elokészítése, ezekbol a táptalajnak illetve tápoldatnak az elkészítése és csíramentesítése (2, 2A). Harmadik feltételként említjük a megfelelo bioreaktort (3), amelyben a fermentációs folyamatot végre lehet hajtani és amellyel kapcsolatban egy sor muvelettel fogunk foglalkozni (4A,4B). A reaktorban folyó történésekrol csak mérések, a folyamatok nyomonkövetése útján nyerhetünk információkat (5). A nyert adatokat a matematikai modellezés eszköztárának segítségével dolgozzuk fel, rendszerezzük és használjuk fel például a termelo folyamat szabályozásának, vezérlésének, automatizálásának céljaira (6). Az eddig említett részfolyamatok és ezekkel kapcsolatos muveletek mind az up stream muveletek közé sorolhatók, míg az itt csak érintett termék feldolgozási, izolálási és tisztítási muveletek (7) jelentik a fo downstream muveleteket. 5.ábra Egy termelo fermentációs folyamat megvalósításának feltételei 24

28 Végezetül a következo összeállításban vázoljuk fel a bioeljárások választásának eseteit (amikor is pl. egy klasszikus kémiai eloállítási mód és egy biotechnológiai megközelítés között választunk), azok elonyeit és hátrányait utóbbiakkal szemben. 25

29 HOL HASZNÁLJUNK BIOTECHNOLÓGIAI ELJÁRÁST?? KOMPLEX MOLEKULÁK FELÉPÍTÉSEKOR, AMIKOR NINCS MÁS ALTERNATÍVA: ANTIBIOTIKUMOK, FEHÉRJÉK, MONOKLONÁLIS ANTITESTEK ELOÁLLÍTÁSA? IZOMEREK EGYIKÉNEK EXKLUZÍV ELOÁLLÍTÁSAKOR (D- vagy L-aminosav, L-tejsav)? AMIKOR A TENYÉSZET KÉPES TÖBB(SOK) KONSZEKUTÍV REAKCIÓ VÉGREHAJTÁSÁRA? AMIKOR A SEJTEK(ENZIMEK) NAGYOBB HOZAMMAL ALAKÍTANAK ÁT.? AMIKOR A BIOELJÁRÁS INKÁBB KÖRNYEZETBARÁT BIO-ELJÁRÁSOK ELONYEI A KONVENCIONÁLIS KÉMIAI MÓDSZEREKKEL SZEMBEN? ENYHE REAKCIÓKÖRÜLMÉNYEK (ph, nyomás, homérséklet )? MEGÚJULÓ ALAPANYAGOK FELHASZNÁLHATÓSÁGA mind a C-váz mind az energia forrás tekintetében): CUKOR KEMÉNYÍTO GABONA CUKOR CELLULÓZ TERMESZTETT NÖVÉNY vagy HULLADÉK? OLCSÓBB ÉS NAGY MENNYISÉGBEN HOZZÁFÉRHETO ALAPANYAGOK (cukrok, ásványi sók)? KEVÉSBÉ VESZÉLYES REAKCIÓKÖRÜLMÉNYEK ÉS KISEBB KÖRNYEZETI ÁRTALOM? A BIOKATALIZÁTOR (SEJT, ENZIM) NAGYOBB SPECIFIKUSSÁGA (szubsztrát-, csoport-, régio-, sztereo-specifikusság)? KEBÉSBÉ KOMPLEX KÉSZÜLÉKEK: KISEBB BERUHÁZÁSI KÖLTSÉG.? NAGYOBB HOZAM, RENDSZERINT KISEBB ENERGIA IGÉNY? rdns TECHNOLÓGIÁK BELÁTHATATLAN LEHETOSÉGEI 26

30 (IDEGEN FEHÉRJÉK, BIOKATALIZÁTOR TERVEZÉS ) A BIO-ELJÁRÁSOK LEHETSÉGES HÁTRÁNYAI? KOMPLEX TERMÉKEK KINYERÉSE ÉS TISZTÍTÁSA BONYOLULT ÉS DRÁGA? HÍG OLDATOKAT KELL FELDOLGOZNI? NAGYMENNYISÉGU ÉS NAGY BOD TARTALMÚ SZENNYVÍZ KELETKEZIK (amely azonban általában könnyen tisztítható)? FERTOZODÉS VESZÉLY IDEGEN MIKROORGANIZMUSOK vagy VÍRUSOK ÁLTAL? FERTOZÉS VESZÉLY SZIGORÚ ELOÍRÁSOK, HOGY A KÖRNYEZET NE FERTOZODHESSÉK, KÜLÖNÖSEN SZIGORÚ FELTÉTELEK rdns TECHNOLÓGIÁKNÁL? KÉT OLDALI VÁLTOZÉKONYSÁG: ALAPANYAGOK MINOSÉGE MIKROBÁK? TÁRSADALMI IDEGENKEDÉS, ELUTASÍTÁS 27