Bιολογία Θετικής Κατεύθυνση Γ τάξης Ενιαίου Λυκείου Κεφάλαιο 7.Αρχές και μεθοδολογία της Βιοτεχνολογίας
2016-09-19 21:11
από την Δήμητρα Σπανού χημικό, καθηγήτρια Β/θμιας Εκ/σης 1ου Γυμνασίου Δάφνης
αφιερώνεται σε κάποιαν που πριν δεκαετίες και ενώ αναφερόταν σε κάτι που δεν κατανιούσα τότε, είπε
"...και είναι εύκολο γιατί οι Έλληνες αγαπούνε πολύ τα παιδιά τους"
Τι θα πρέπει να καταλάβουμε από το βιβλίο της Βιολογίας θετικής Κατεύθυνσης Γ τάξης Ενιαίου Λυκείου. Μια προσπάθεια να τονίστουν τα βασικά σημεία του μαθήματος με στόχο την κατανόησή του
Χωρίς να είμαι καθηγήτρια της Βιολογίας, αλλά της Χημείας, έχοντας όμως ασχοληθεί αρκετά με αυτήν
και για λόγους γενικότερους αλλά και προσωπικούς,
θα ξεκινήσω μια προσπάθεια να δώσω με απλό και περιληπτικό τρόπο την ύλη του βιβλίου αυτού ,
τονίζοντας τα βασικά σημεία της αλλά και τις ουσιαστικές γνώσεις
που περνάν μέσα από το μάθημα,
ώστε να μπορεί ο υποψήφιος αλλά και όποιος ενδιαφέρεται να βοηθηθεί στο να πάρει μια ιδέα για τα θέματα που αναφέρονται στο βιβλίο αυτό.
Ίσως και πριν ακόμα ξεκινήσει τον αγώνα των Πανελληνίων για να καταλάβει γενικά την ύλη που πρέπει να διαβάσει.
υπό κατασκευή
Δήμητρα Σπανού
Ξεκινώντας με την υλη...
ΒΙΟΛΟΓΙΑ
Ομάδας Προσανατολισμού Θετικών Σπουδών
Από το βιβλίο ‘’Βιολογία’’ της Γ΄ τάξης του Γενικού Λυκείου Ομάδας Προσανατολισμού Θετικών Σπουδών των Αλεπόρου-Μαρίνου Β., Αργυροκαστρίτη Α., Κομητοπούλου Α., Πιαλόγλου Π., Σγουρίτσα Β.
Κεφάλαιο 1 «Το γενετικό υλικό».
Κεφάλαιο 2 «Αντιγραφή, έκφραση και ρύθμιση της γενετικής πληροφορίας».
Κεφάλαιο 4 «Τεχνολογία του ανασυνδυασμένου DNA».
Κεφάλαιο 5 «Μενδελική κληρονομικότητα».
Κεφάλαιο 6 «Μεταλλάξεις».
Κεφάλαιο 7 «Αρχές και μεθοδολογία της Βιοτεχνολογίας» εκτός από την ενότητα ‘‘Η παραγωγή της πενικιλίνης αποτελεί σημαντικό σταθμό στην πορεία της Βιοτεχνολογίας’’
Κεφάλαιο 8 «Εφαρμογές της Βιοτεχνολογίας στην Ιατρική» εκτός από τις ενότητες ‘‘Εμβόλια’’ και ‘‘Αντιβιοτικά’’.
Κεφάλαιο 9 «Εφαρμογές της Βιοτεχνολογίας στη γεωργία και την κτηνοτροφία».
Αρχές και μεθοδολογία της Βιοτεχνολογίας
Οι ζωντανοί οργανισμοί παρέχουν στον άνθρωπο χρήσιμα προιόντα. Παλαιότερα από την δράση μικροοργανισμών γνώριζαν, πως να πέρνουν χρήσιμες ουσίες για τροφή. Το τυρί το κρασί, το ψωμί και άλλες τροφές
Ακόμα, εκμεταλλεύτηκαν μεγάλους οργανισμούς , ζώα και φυτά για την εξυπηρέτησή τους (τροφή εργασία διασκέδαση κ.λ.π.)
Από παλιά γίνονταν προσπάθειες , με απλές τεχνικές (όπως με τις ανάλογες διασταυρώσεις) να πετύχουν ποικιλίες οργανισμών, που να εξυπηρετούν καλύτερα τις ανάγκες τους .
Η εξέλιξη της επιστήμης της Βιολογίας σε συνεργασία με την τεχνολογία έδωσαν μια νέα επιστήμη την Βιοτεχνολογία . Αυτή ξεπέρασε τις παλιές απλές τεχνικές που χρησιμοποιούσαν μεθόδους σχετικά πιο δύσκολες, χρονοβόρες και λιγότερο αποτελεσματικές και εισήγαγε νέες με καταπληκτικά αποτελέσματα.
Ενώ παλιά με την δράση των μικροοργανισμών παίρναμε αλκοόλη από τις ζυμώσεις υδατανθράκων με την βοήθεια μικροοργανισμών, σήμερα γενετικά τροποποιημένοι μικροοργανισμοί μας δίνουν χρήσιμες ουσίες όπως η ινσουλίνη.
Η βιοτεχνολογία που χρησιμοποιεί σήμερα πιο αποτελεσματικά τους μικροοργανισμούς αλλά και τους μεγάλους οργανισμούς στηρίζει την δράση της σε δυο μεθόδους
α. τις τεχνικές καλλιέργειας και ανάπτυξης μικροοργανισμών (κυρίως γενετικά τροποποιημένων) προς παραγωγή χρήσιμων προιόντων
β. με τεχνικές ανασυνδυασμένου DNA την εισαγωγή νέων ιδιοτήτων στους ζωντανούς οργανισμούς,
Αυτό γίνεται σε μικρότερο χρόνο και με μεγαλύτερη ακρίβεια από ότι στο παρελθόν, δημιουργούνται όμως και προβλήματα που δεν έχουν ακόμη αποτιμηθεί.
Οι μικροβιακές καλλιέργειες. Σημαντικό εργαλείο για την Βιοτεχνολογία
Για να πάρουμε ένα επιθυμητό προιόν από τους γενετικά τροποποιημένους μικροοργανισμούς πρέπει να φροντίσουμε να αυξήσουμε σημαντικά τον αριθμό τους. Οι μικροοργανισμοί συνήθως πολλαπλασιάζονται με κυτταρική διαίρεση. Ο ρυθμός ανάπτυξης του αριθμού τους εξαρτάται από παράγοντες όπως η τα θρεπτικά συστατικά και πόσο μπορούν αυτά να χρησιμοποιηθούν (διαθεσιμότητα ), το pH , την θερμοκρασία, το οξυγόνο που υπάρχει.
Ένας τρόπος να μετράμε τον ρυθμό ανάπτυξης είναι ο χρόνος διπλασιασμού της καλλιέργειας μικροοργανισμών.
Οι μικροοργανισμοί προμηθεύονται τα θρεπτικά συστατικά (άνθρακας, άζωτο μεταλλικά ιόντα και νερό) .
Τον άνθρακα από τον αέρα αν είναι αυτότροφοι, από οργανικές ενώσεις αν είναι ετερότροφοι
Το άζωτο από τα νιτρικά και αμμωνιακά άλατα εάν είναι μικροοργανισμοί.
Το PH επιρρεάζει την ανάπτυξη των μικροοργανισμών. Οι περισσότεροι αναπτύσσονται σε PH από 6 ές 9. Με εξαιρέσεις όπως βακτήρια όπως Lactobacillus.
Η παρουσία οξυγόνου
Υπάρχουν οι υποχρεωτικά αερόβιοι με απαραίτητη την υψηλή συγκέντρωση οξυγόνου. (Μycobacterium)
Υπάρχουν οι προαιρετικά αερόβιοι που με την παρουσία οξυγόνου αναπτύσσονται ταχύτερα (μύκητες της αρτοβιομηχανίας)
Υπάρχουν οι προαιρετικά ανααερόβιοι που η παρουσία οξυγόνου είναι βλαβερή, τοξική (βακτήρια clostridium)
Η θερμοκρασία Ρυθμίζει τις περισσότερες φορές τον ρυθμό ανάπτυξης. Βέλτιστη 20-45 0C για τους περισσότερους μικροοργανισμούς. (η Εscherichia coli αναπτύσσεται άριστα στους 37οC. Όμως υπάρχουν και είδη θερμόφιλα που αναπτύσσονται καλά σε θερμοκρασία >45ο υπάρχουν και είδη ψυχρόφιλα που αναπτύσσονται καλά σε θερμοκρασία < 20οC.
Ανάπτυξη μικροοργανισμών σε εργαστήρια και σε βιομηχανική κλίμακα
Όπως είπαμε είναι σημαντική η γνώση και η τεχνολογία της ανάπτυξης των μικροοργανισμών σε εργαστηριακή και στην συνέχεια σε βιομηχανική κλίμακα, γιατί μέσω αυτών εφαρμόζονται τεχνικές βιοτεχνολογίας με πολλές εφαρμογές
Για τις εργαστηριακές καλλιέργειες αυτά που χρειάζονται είναι
1. Απομόνωση των μικροοργανισμών.
2. Η παρασκευή κατάλληλων θρεπτικών υλικών .
3. Η διαμόρφωση κατάλληλων συνθηκών ανάπτυξης
Σήμερα μπορούν να αναπτυχθούν μεγάλες ποσότητες μικροοργανισμών, (βακτηρίων, μυκήτων), εργαστηριακά και βιομηχανικά. Χρησιμοποιούνται για την παραγωγή χρήσιμων προιόντων (αντιβιοτικά , φάρμακα, ένζυμα κ.α.) Οι συνθήκες είναι αυστηρά ελεγχόμενες, και οι θρεπτικές ουσίες είναι τεχνητά υλικά που πρέπει να περιέχουν, άνθρακα, πηγή αζώτου και ιόντα. Μπορεί δε να είναι σε στερεά μορφή 'η σε υγρή όταν τα θρεπτικά διαλύονται σε νερό
Στερεά θρεπτικά υλικά παρασκευάζονται με ανάμειξη υγρού θρεπτικού υλικού με
το άγαρ ένας πολυσακχαρίτης που προέρχεται από τα φύκη. Σε θερμοκρασία άνω των 45 βαθμών είναι υγρό και σε χαμηλώτερη στερεοποιείται και αποτελεί υπόστρωμα ανάπτυξης μικροοργανισμών σε στερεές καλλιέργειες.
Μια καλλιέργεια ξεκινάει με προσθήκη μικρής ποσότητας κυττάρων στο θρεπτικό υλικό (εμβολιασμός)
Τοποθετούνται σε κλίβανο και έτσι εξασφαλίζεται μια σταθερή θερμοκρασία που είναι η κατάλληλη για την καλλιέργεια των συγκεκριμένων μικροοργανισμών. Με τον τρόπο αυτό, σε μικρό χρονικό διάστημα παράγεται μεγάλη ποσότητα μικροοργανισμών. Οι καλλιέργειες αυτές μπορούν να διατηρηθούν σε αδρανή μορφή στην κατάψυξη (-80οC) για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα. Τα θρεπτικά υλικά και οι συσκευές αποστειρώνονται πριν την έναρξη της καλλιέργειας, για την αποφυγή ανάπτυξης άλλων μικροοργανισμών.
Σε μεγάλη βιομηχανική κλίμακα χρησιμοποιούνται συσκευές που ονομάζονται βιοαντιδραστήρες ή ζυμωτήρες για τον έλεγχο των συνθηκών που αφορούν την καλλιέργεια. θρεπτικό υλικό από φτηνές πρώτες ύλες όπως η μελάσα από το σαχαροκάλαμο.
Ζύμωση είναι η ανάπτυξη μικροοργανισμών σε υγρό θρεπτικό υλικό σε οποιεσδήποτε συνθήκες (αναερόβιες ή αερόβιες).
Προιόντα της ζύμωσης είναι τα ίδια τα παραγώμενα κύτταρα που ονομάζονται βιομάζα και τα προιόντα τους (πρωτείνες και αντιβιοτικά).
Διάφοροι τύποι ζυμώσεων για την καλλιέργεια των μικροοργανισμών
Δυο που συνήθως χρησιμοποιούνται είναι η ανοικτή και η κλειστή καλλιέργεια.
Βιοαντιδραστήρας- αποστειρωμένο θρεπτικό υλικό- - εμβολιασμός με την αρχική καλλιέργεια .
Κλειστή καλλιέργεια
Φάσεις ανάπτυξης. Λανθάνουσα, εκθετική, στατική φάση θανάτου
Λανθάνουσα φάση: Προσαρμογή των μικροοργανισμών στις νέες συνθήκες, σχετική στατικότητα
Εκθετική φάση: Διαιρούνται με ταχύ ρυθμό, Ταχεία ανάπτυξη της καλλιέργειας κάτω από άριστες συνθήκες . Ο αριθμός των μικροοργανισμών αναπτύσσεται εκθετικά.
Στατική φάση : Ο αριθμός των μικροοργανισμών δεν αυξάνεται λόγω εξάντλησης κάποιου θρεπτικού συστατικού.
Φάση θανάτου : ο αριθμός των μικροοργανισμών μειώνεται
Συνεχής καλλιέργεια
Οι μικροοργανισμοί τροφοδοτούνται διαρκώς με θρεπτικά συστατικά και ταυτόχρονα απομακρύνονται από την καλλιέργεια κύτταρα και άχρηστα προιόντα από την καλλιέργεια.
Τεχνικές καθαρισμού για την παραλαβή των άχρηστων προιόντων
Από βιοαντιδραστήρα: Διαχωρισμός με δι'ιθηση ή φυγοκέντρηση των στερεών από υγρά συστατικά (συμπεριλαμβάνονται και τα κύτταρα). ΄Για να πάρουν από αυτά το καθαρό προιόν χρησιμοποιούν κατάλληλες μεθόδους.
Σειρές τεχνικών καθαρισμού για την παραλαβή τν προιόντων της ζύμωσης
Διαχωρισμός των υγρών από τα στερεά συστατικά (συμπεριλαμβάνονται και τα κύτταρα) με διήθηση ή φυγοκέντριση. Το επιθυμητό προιόν μπορεί να περιλαμβάνεται στην στερεά ή στην υγρή φάση και παραλαμβάνεται μέ κατάλληλες μεθόδους.
Η παραγωγή πενικιλίνης
Αποτελεί την πρώτη εφαρμογή μεθόδων Βιοτεχνολογίας με χρησιμοποίηση οργανισμών (μύκητας Penicillium)για παραγωγή προιόντων.Στελέχη που έχουν επιλεγεί χρησιμοποιούνται αρχικά στο εργαστήριο σε στερεό θρεπτικό υλικό. Στην συνέχεια μεταφέρονται σε βιοαντιδραστήρες. Το θρεπτικό υλικό περιέχει και γλυκόζη που προστίθεται πριν την στατική φάση. Μετά, κατά την στατική φάση αρχίζει η παραγωγή πενικιλλίνης.
Στην συνέχεια η πενικιλλίνη παραλαμβάνεται με φυσικές και χημικές μεθόδους.
Δήμητρα Σπανού
ΠΗΓΕΣ
Βιολογία Θετικής κατεύθυνσης Γ τάξης ενιαίου Λυκείου