Mikrobien käyttö teollisuudessa

Teollinen mikrobiologia

Mikrobeilla on tärkeitä käyttötarkoituksia lääketieteessä, maanviljelyksessä,ruuanvalmistuksessa, entsyymiteknologiassa, biopolttoaineteknologiassa ja muilla teollisuudenaloilla

Yleensä mikrobit valjastetaan tuottamaan yhdisteitä, joita kutsutaan "luonnollisiksi tuotteiksi". Tätä varten yleensä tarvitsee tunnistaa (tai luoda) mikroorganismi jolla on kyky tehdä haluttu prosessi.

tarvitaan helposti kasvatettava, geneettisesti vakaa, helppohuoltoinen mikrobi

mikrobin toiminta valjastetaan käyttöön fermenttorissa / ympäristössä

geeniensiirto voi synnyttää kokonaan uusia metabolisia prosesseja ja tuotteita organismeissa (lajienvälinen)

Historiaa

>4000 vuotta vanhaa "teknologiaa”

Kiinasta löydetty yli 9000-v vanhoja käyttämällä tehtyjen juomien jäänteitä

Leipää leivottu 4000 ekr.

Pasteur – maitohappokäyminen & alkoholin hiivafermentaation osoitus 1857Butyyrihappokäyminen 1861

Fleming: Penisilliini 1928

Waksman: Streptomysiini 1940

Perusteita bioteknologiaan

Teollinen mikrobiologia = mikrobien käyttö yhdisteiden valmistukseen tai mikrobien itsensä valmistus

Bioteknologia viittaa siten prosesseihin, jossa eläviä organismeja manipuloidaan, erityisesti geneettisellä tasolla, jotta ne saadaan tuottamaan hyödyllisiä tuotteita

geneettinen muuntaminen - tarkoituksenmukainen organismin genettisen sisällön muuntaminen genomia muuntamalla

näiden tekniikoille on annettu systemaattinen nimike: yhdistelmä-DNA-tekniikka( recombinant dna technology)

yhdistelmä-DNA on DNA:ta jossa on uusi sekvenssi, jossa on osia kahdesta tai useammasta lähteestä

aluke - lyhyt pätkä DNA:ta tai RNA:ta joka on hybrdisoitunut DNA:aan, niin että DNA-synteesi voidaan aloitaa ns. "primaa" (primed)

Hienoa termistöäcDNA = komplementaarinen DNA on lähetti-RNAsta syntetisoitu yksiketjuinen

DNA-molekyyli, josta puuttuvat intronit.

mRNA = Lähetti-RNA:n emäsjärjestys määrää sen avulla tuotettavan valkuaisaineen aminohappojärjestyksen

PCR = polymeraasiketjureaktio

RI = restriktioentsyymi

RT = reverse transcription = käänteistranskriptio

Introni = koodaamaton jakso geenissä

Kloonaaminen

Yhdistelmä-DNA-tekniikasta (RDT)

Yhdistelmä-DNA on DNA:ta uudella sekvenssillä, johon ollaan liitetty kahdesta tai useammasta lähteestä DNA-fragmentteja

Restriktioentsyymit (RI) pilkkovat DNA:ta spesifisisistä kohdista

• nimetään eristetystä organismista mukaan: esim EcoRI

• Sticky ends / Blunt ends

• vastakkaista alkuperäiseen verrattuna

Part 2: Eukaryootti-DNA:n kopiointi

lähetti-RNA sisältää geneettisen informaation, joka voidaan kääntää (translaatiossa) proteiinien aminohappojärjestykseksi

eukaryoottisessa DNA:ssa pre-mRNA:ssa on koodaamattomia jaksoja, introneita, jotka osoittautuivat ongelmallisiksi

käänteisen käännöksen entsyymi RT (reverse transcription) ratkaisi tämän, sillä voitiin koodata intronit (koodaamattomat jaksot) eukaryootti-pre-mRNAssa RT koodaa DNA:n ennen replikaatiota

Rekombinantin DNA:n luominen Nukleotidisekvenssien kopioninti; propagaatio & initiaatio

Lisäämällä geenejä tai geenielementtejä ns. kloonausvektoreihin RI leikkaa palasia → haluttu sekvenssi tilalle tunnistaminen kloonausvektoreita voi

ostaa kaupasta

Kloonausvektoreita:

plasmidit bakteerit faagit keinotekoiset kromosomit kosmidit

PCR – polymerase chain reaction

menetelmä, jolla yksittäinen geeni tai mikä tahansa DNA-pätkä voidaan monistaa eksponentiaalisestitärkeä menetelmä monilla molekyylibiologian, lääketieteen, bioteknologian alueilla

PCR:llä voidaan eristää tiettyjä DNA-fragmentteja

PCR:ää käytetään metagenomiikassa ja siitä on tullut oleellinen osa tiettyjä diagnostiikkatestejä, mm. AIDS, Lymen tauti, klamydia, tuberkuloosi, hepatiitti, ihmisen papilloomavirus, sirppisoluanemia, fenyyliketonuria, lihasdystrofia

kuolinsyytutkimus

testit nopeita, herkkiä, spesifisiä

geelielektroforeesi

Mikro-organismien geneettinen manipulaatio

klassiset metodit + yhidistelmä-DNA-tekniikka tärkeässä roolissa

protoplastifuusio

geeniensiirto

geenimodifikaatio,

proteiinievoluutio

mutageneesi (ei mudan synnyttäminen)

Mutageneesi sopivan mikro-organismin löydyttyä sitä voidaan "parantaa" erilaisilla tekniikoilla

kemikaalit, UV-valo, transposonmutageneesi (geneettisten elementtien siirto geenissä paikasta toiseen)

Esim. Penisilliinin UV-kemiallinen käsittely →korkeampi tuotto (konsentraatio)

Protoplastifuusio jopa eri lajien solujen yhdistäminen → uuden soluseinän kasvattaminen osmoottisten

stabilisoijien avulla (mm. sakkaroosi)

geneettisen informaation siirto organismien välillä esim. antibioottien valmistus on keskittynyt DNA:ssa tiettyyn "clusteriin". Sen

vaihtaminen tiettyyn toiseen johtaa toisen antibiootin tuottamiseen

heterolooginen geeniekspressio = funktionaalisten geenien transkriptaus ja siirto organismista toiseen

Geeniekspression modifikaatio tuotantomääriin liittyvä; geenin muokkaaminen niin että tiettyä tuotetta ylituottuu

säännöstelymolekyylien muokkaaminen

DNA:n kohtien muokkaaminen

metabolisten polkujen muokkaaminen (MPE)

Proteiinievoluutio pakotettu evoluutio, adaptiivinen mutaatio, in-vitro-evoluutio

ympäristönmuutoksella

in-vitro: aloitetaan puhtaasta aminohaposta DNA-→ transskriptaus in-vitro faagiRNApolymeraasilla → RNA-molekyylejä, joilla tietty funktio. → ”reverse transcription”-entsyymi → PCR-valmis cDNA.→ toisto koko hommalla. Saatetaan saada evolvoituneita proteiineja