Β Τεύχος 7ο Κεφάλαιο Flashcards
Τι προϊόντα παράγουμε με την χρήση των μικροοργανισμών σήμερα και τι παλιότερα;
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 Τε-
χνολογία δίνουν τη δυνατότητα χρησιμοποίησης των ζωντανών
οργανισμών για την παραγωγή ευρείας κλίμακας προϊόντων
όπως τροφίµων, αντιβιοτικών και εµβολίων
Τι ορίζουμε βιοτεχνολογία;
Ο όρος Βιοτεχνο-
λογία 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».Βιοτεχνολογία με την ευρεία έννοια είναι η χρήση ζωντανών
οργανισµών προς όφελος του ανθρώπου.
Τι σκοπό επιτελεί η βιοτεχνολογία;Σε ποιους κλάδους έχει συνεισφέρει;
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 γενε-
τικά τροποποιημένα βακτήρια. Η Βιοτεχνολογία συνεισφέρει σε
διάφορους τοµείς όπως είναι η Ιατρική, η γεωργία, η κτηνοτρο-
φία, η βιοµηχανία και η προστασία του περιβάλλοντος.
Τι τεχνικές χρησιμοποιούνται στην βιοτεχνολογία; Ποια είναι η βασική διαφορά της σύγχρονης με την παλιά βιοτεχνολογία;
Η Βιοτεχνολογία στηρίζεται κυρίως σε τεχνικές καλλιέργειας
και ανάπτυξης των µικροοργανισµών και σε τεχνικές ανασυν-
δυασµένου DNA. Οι τελευταίες βρίσκουν άµεση εφαρµογή στη
Βιοτεχνολογία, επειδή παρέχουν τη δυνατότητα εισαγωγής νέων
επιθυμητών ιδιοτήτων στους ζωντανούς οργανισμούς σε μικρό-
τερο χρόνο και µε µεγαλύτερη ακρίβεια από ό,τι 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.
Τι είναι ο χρόνος διπλασιασμού; Από τι εξαρτάται;
Ο ρυθµός ανάπτυξης ενός πληθυσµού
µικροοργανισµών, δηλαδή ο ρυθµός µε τον οποίο διαιρούνται
τα κύτταρά του, καθορίζεται από το χρόνο διπλασιασµού (Πί-
νακας 7.1). Κάθε είδος µικροοργανισµού έχει χαρακτηριστικό
χρόνο διπλασιασµού.
Οι παράγοντες που επηρεάζουν το χρόνο διπλασιασμού και
κατά συνέπεια το ρυθµό ανάπτυξης των µικροοργανισµών εί-
ναι η διαθεσιµότητα θρεπτικών συστατικών, το pH, το Ο2
και
η θερµοκρασία.
Τι είναι τα θρεπτικά συστατικά; Ποια ειναι και που χρησιμεύουν (τα μεταλλικά ιόντα;)
Όπως και όλοι οι υπόλοιποι οργανισμοί, για να αναπτυχθεί
ένας µικροοργανισµός είναι απαραίτητο να µπoρεί να προµη-
θεύεται από τo περιβάλλον στο οποίο αναπτύσσεται µια σειρά
θρεπτικών συστατικών. Σ’ αυτά περιλαµβάνονται ο άνθρακας,
το άζωτο, διάφορα μεταλλικά ιόντα και το νερό. Η πηγή άνθρα-
κα για τους αυτότροφους μικροοργανισμούς είναι το CΟ2
της
ατµόσφαιρας, ενώ για τους ετερότροφους διάφορες οργανικές
ενώσεις όπως οι υδατάνθρακες. Η πηγή αζώτου για τους περισ-
σότερους 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.
Ποιοι άλλοι παράγοντες επηρεάζουν τον πολλαπλασιασμό μιας καλλιέργειας; Ποιες κατηγορίες οργανισμών εμφανίζονται στον καθένα παράγοντα;
Το pH επηρεάζει σημαντικά την ανάπτυξη των μικροοργανι-
σμών. Οι περισσότεροι αναπτύσσονται σε pH 6-9. Υπάρχουν
όµως µικροοργανισµοί που αναπτύσσονται σε διαφορετικό
pH, όπως είναι τα βακτήρια του γένους Lactobacillus, που ανα-
πτύσσονται σε pH 4-5.
Η παρουσία ή απουσία Ο2
µπορεί να βοηθήσει ή να αναστεί-
λει την ανάπτυξη των μικροοργανισμών. Υπάρχουν μικροοργα-
νισμοί που για την ανάπτυξή τους απαιτούν υψηλή συγκέντρω-
ση Ο2 (υποχρεωτικά αερόβιοι) όπως τα βακτήρια του γένους
Mycobacterium. Άλλοι μικροοργανισμοί, όπως οι μύκητες που
χρησιµοποιούνται στην αρτοβιοµηχανία, ανήκουν στην κατηγο-
ρία των µικροοργανισµών που αναπτύσσονται παρουσία Ο2
µε
ταχύτερο ρυθµό απ’ ό,τι 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 παρά-
γοντες που καθορίζουν το ρυθμό ανάπτυξης των μικροοργανι-
σµών. Οι περισσότεροι µικροοργανισµοί αναπτύσσονται άρι-
στα 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).
Γίνονται σήμερα βακτηριακές καλλιέργειες σε βιομηχανική κλίμακα; Τι θρεπτικό χρησιμοποιούν;
Σήµε-
ρα οι µικροοργανισµοί οι οποίοι χρησιµοποιούνται για την
παραγωγή χρήσιμων προϊόντων, όπως αντιβιοτικά ή ένζυμα,
µπορούν να αναπτυχθούν στο εργαστήριο και σε µεγάλη κλίµα-
κα στις βιοµηχανικές µονάδες κάτω από αυστηρά ελεγχόµενες
συνθήκες καλλιέργειας. Για την ανάπτυξή τους χρησιµοποιού-
νται 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 στε-
ρεά. Τα υγρά θρεπτικά υλικά περιέχουν όλα τα θρεπτικά συστα-
τικά 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.
Τι είναι εμβολιασμός; Πως ξεκινάει η εργαστηριακή καλλιέργεια και τι βήματα ακολουθούμε πριν ξεκινήσουμε; Πως διατηρούνται μετά οι οργανισμοί για καιρό;
Μία καλλιέργεια ξεκινάει µε την προσθήκη µικρής ποσότητας
κυττάρων στο θρεπτικό υλικό, μια διαδικασία που ονομάζεται
εµβολιασµός. Μετά τον εµβολιασµό οι µικροοργανισµοί πα-
ραμένουν σε έναν κλίβανο που εξασφαλίζει σταθερή θερμο-
κρασία 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 αρ-
κετά µεγάλο χρονικό διάστηµα. Για την αποφυγή ανάπτυξης άλ-
λων µικροοργανισµών, εκτός εκείνων που πρόκειται να καλλι-
εργηθούν, τα θρεπτικά υλικά και οι συσκευές αποστειρώνονται
πριν από την έναρξη της καλλιέργειας.
Βιομηχανική κλίμακα καλλιέργειας: Σε ποιο εργαλείο γίνεται; Τι μέτρα ασφαλείας παίρνουμε για αυτόν; Τι πηγή άνθρακα χρησιμοποιούμε; Τι είναι ζύμωση και τί βιομάζα;
Όταν γίνεται καλλιέργεια μικροοργανισμών σε μεγάλη κλίμα-
κα (βιοµηχανική καλλιέργεια) χρησιµοποιούνται κατάλληλες
συσκευές που ονομάζονται ζυµωτήρες ή 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 προστί-
θεται στους βιοαντιδραστήρες, χρησιµοποιούνται φθηνές πηγές
άνθρακα όπως η μελάσα που αποτελεί παραπροϊόν της επεξερ-
γασίας 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 αναπτύσσο-
νται και πολλαπλασιάζονται χρησιμοποιώντας τα συστατικά του
θρεπτικού υλικού. Όλες οι διεργασίες πρέπει να γίνονται κάτω
από στείρες συνθήκες για να µην γίνει µόλυνση της καλλιέργει-
ας. Ο ίδιος ο βιοαντιδραστήρας και το θρεπτικό υλικό αποστει-
ρώνονται πριν από τη χρήση. Με τον όρο ζύµωση εννοούµε
τη διαδικασία ανάπτυξης µικροοργανισµών σε υγρό θρεπτικό
υλικό κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες. Ο όρος ζύμωση πα-
λαιότερα 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.
Οι 2 τρόποι καλλιέργειας μικροοργανισμών. Ποια είναι τα στάδια της μιας και ποια η διαφορά της με την 2η;
Κλειστή καλλιέργεια: Σ’ αυτό τον τύπο ζύμωσης τοποθετεί-
ται στο βιοαντιδραστήρα ορισµένη ποσότητα αποστειρωµένου
θρεπτικού υλικού, η οποία εμβολιάζεται με αρχική καλλιέργεια
μικροοργανισμών. Η καλλιέργεια συνεχίζεται μέχρι την παρα-
γωγή 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 µικροοργανι-
σµών που προέρχεται από την αρχική καλλιέργεια 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 συν-
θήκες θερµοκρασίας, pH, συγκέντρωσης Ο2
και στο υλικό καλ-
λιέργειας υπάρχουν άφθονα θρεπτικά συστατικά. Αυτή η φάση
ανάπτυξης ονομάζεται εκθετική, επειδή ο αριθµός των µικρο-
οργανισµών αυξάνεται εκθετικά. Ακολουθεί η στατική φάση,κατά την οποία ο πληθυσµός των βακτηρίων δεν αυξάνεται,
λόγω εξάντλησης κάποιου θρεπτικού συστατικού ή λόγω συσ-
σώρευσης τοξικών προϊόντων από το μεταβολισμό των μι-
κροοργανισµών. 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 µικρο-
οργανισμών. 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 µικρο-
οργανισµοί τροφοδοτούνται συνεχώς µε θρεπτικά συστατικά.
Ταυτόχρονα, αποµακρύνονται από την καλλιέργεια κύτταρα και
άχρηστα προϊόντα.
Η παραλαβή τω
Ποιοι είναι το τελευταίο βήμα παραλαβης του προϊόντος από μια καλλιέργεια;
Τελική κατεργασία είναι η διεργασία καθαρισμού του προϊ-
όντος που παραλαµβάνεται από το βιοαντιδραστήρα. Αρχικά,
γίνεται διαχωρισµός των υγρών από τα στερεά συστατικά, στα
οποία συµπεριλαµβάνονται και τα κύτταρα. Αυτό γίνεται συ-
νήθως 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 προσµεί-
ξεις (Εικόνα 7.5).
Παραγωγή πενικιλίνης
Η παραγωγή της πενικιλίνης αποτελεί την πρώτη εφαρμογή
µεθόδων Βιοτεχνολογίας µε χρησιµοποίηση των µικροοργανι-
σμών 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 χρη-
σιµοποιείται, από το θρεπτικό υλικό στο οποίο αναπτύσσεται
και από τις συνθήκες καλλιέργειας. Στελέχη τα οποία έχουν επι-
λεγεί 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.
