Tytuł referatu - biofizyka.p.lodz.pl
advertisement
Podstawy biogospodarki Wykład 4 Prowadzący: Krzysztof Makowski Kierunek Wyróżniony przez PKA INZYNIERIAMATERIALOWAPL „Mother Earth has a strange ability to produce life everywhere” Fridtjof Nansen Enzymy, biopolimery i cząstki bioaktywne na przykładzie ekstremofili Stromatolity w Parku Narodowym Glacier w USA pochodzące z prekambru https://web.facebook.com/Harvard/videos/10153674766881607/ Rozmiary drobnoustrojów INZYNIERIAMATERIALOWAPL Świat drobnoustrojów WIRUSY BAKTERIE GRZYBY STRZĘPKOWE DROŻDŻE INZYNIERIAMATERIALOWAPL Ziemia – planeta drobnoustrojów ? biomasa lądowych i wodnych zwierząt biomasa drobnoustrojów (525 razy większa) INZYNIERIAMATERIALOWAPL Bioróżnorodność 750 tys. 250 tys. 200 tys. 41 tys. Przypuszcza się, że na Ziemi bytuje 106-107 gat. drobnoustrojów, znamy zatem 1-10% tych gatunków Bioróżnorodność Mikroby ciepłolubne (termofile i hipertermofile) Podmorskie wyloty hydrotermalne Źródła siarczanowe Mikroby zasadolubne (alkalofile) Słone jeziora Mikroby kwasolubne (acidofile) Lód morski Słone jeziora Mikroby sololubne (halofile) Mikroby zimnolubne Mikroby ciepłolubne (termofile i hipertermofile) Podział drobnoustrojów według temperatur kardynalnych Tmin Topt Tmax Mezofile <20 20-30 37-40 Termofile 45 50-60 < 70 65-75 <80 80-95 121 Ekstremalne termofile >55 Hipertermofile >70 Ziemia – planeta zimna T<5ºC 80% całkowitej powierzchni Ziemi i ponad 90% objętości mórz i oceanów INZYNIERIAMATERIALOWAPL Jezioro Vostok – odpowiednik księżyca Europy INZYNIERIAMATERIALOWAPL Ekstremofile HIPERTERMOFILE (Topt >80°C); Pyrolobus fumarii (Topt = 113ºC) PSYCHROFILE (Tmin-0°C i poniżej); Psychromonas ingrahamii (Tmin= -15ºC) Ekstremofile ACIDOFILE (pH 0,52,0), Picrophilus torridus pHopt=0,7 ALKALOFILE (pH 10 ÷12), Bacillus firmus pHopt=10,5 Ekstremofile HALOFILE (stężenie soli > 2,5 M), Haloarcula marismorti (1,7-5,1 M NaCl) PIEZOFILE (ciśnienie do 140 MPa), Photobacterium sp. Ekstremofile Deinococcus radiodurans 5000 G - 100% przeżywalności; 15 000 G - 37% przeżywalności (dawka letalna dla człowieka – 10, dla E.coli – 60 G ). Deinococcus geothermalis Topt=55ºC, rozwija się przy ciągłej ekspozycji na promieniowanie w dawce 60 G /h Ekstremofile KSEROFILE (aktywność wody poniżej 0,8), Halobacterium sp. METALOFILE (wysokie stężenia metali ciężkich), Ralstonia i Rhodococcus Ekstremofile ENDOLITY I HIPOLITY (kolonizują pęknięcia i części denne skał), Methanobacterium subterranean MIKROAEROFILE (stężenie tlenu < 21% O2, zwykle 2-10%) EUTEKTOFILE (?) Potencjalne produkty pochodzące z ekstremofili PSYCHROFILE •Enzymy, np. B-galaktozydaza, lipaza CalB •Ochronne egzopolisacharydy, •Biosurfaktanty •Barwniki – molekularne filtry UV •Białka nukleacyjne (SNOMAX™) •Czynniki krioprotekcyjne - ekstremolity -trehaloza, cholina, betainy •Wielonienasycone kwasy tłuszczowe THE BIOECONOMY TO 2030: DESIGNING A POLICY AGENDA – ISBN-978-92-64-03853-0 © OECD 2009 INZYNIERIAMATERIALOWAPL Potencjalne produkty pochodzące z ekstremofili TERMOFILE •Enzymy, np. polimerazaTaq, celulazy HALOFILE •Spirulina spp. suplenet diety •Dunaliella salina najlepsze naturalne źródło karotenoidów •Halobacterium – fermentacja sosów rybnych •Osmoprotektanty – ektoina - Ronacare ALKALOFILE: •Enzymy do proszków do prania - proteinazy, lipazy •Enzymy do badań molekularnych – alkaliczna fosfataza Shewanella sp. SIB1 (Abnova Corp.) THE BIOECONOMY TO 2030: DESIGNING A POLICY AGENDA – ISBN-978-92-64-03853-0 © OECD 2009 INZYNIERIAMATERIALOWAPL Komercyjne wykorzystanie enzymów ekstremofilnych na przykładzie B-galaktozydazy Penicillum Bacteroides thetaiotaomicron E. coli Arthrobacter INZYNIERIAMATERIALOWAPL Potencjalne zastosowanie B-galaktozydaz: HYDROLIZA laktozy (ochrona środowiska, przemysł spożywczy)dostępne preparaty komercyjne, np. enzym z K. lactis SYNTEZA (procesy nieskomercjalizowane): • Galaktooligosacharydów (przemysł spożywczy) • Alkilowych (arylowych) pochodnych galaktopiranozy (biosurfaktanty) • Galaktopiranozydów aminoalkoholi (bloki budulcowe) • Galaktopiranozydów aminokwasów (bloki budulcowe) • Modyfikowanych antybiotyków, (szersze spektrum działania przeciwbakteryjnego, lepsza rozpuszczalność w wodzie) INZYNIERIAMATERIALOWAPL Laktoza- cukier niepożądany ? • Słabo rozpuszczalna w wodzie- łatwość krystalizacji w produktach spożywczych prowadząca do zmian sensorycznych (odczucie ziarnistości produktu) • Niska słodycz- powstałe wyniku hydrolizy glukoza i galaktoza są słodsze od laktozy • Zjawisko nietolerancji laktozy: a. pierwotna u niemowląt, b. pierwotna u dorosłych, c. wtórna 22 INZYNIERIAMATERIALOWAPL Dlaczego β-galaktozydazy zimnolubne ? • Możliwość prowadzenia reakcji w niskich temperaturach (oszczędność energii, minimalizowanie ryzyka zakażenia mikrobiologicznego) • Brak produktów reakcji Maillarda obecnych w przypadku użycia β-galaktozydaz termofilnych • Hydroliza laktozy stanowiącej składnik serwatki- produktu ubocznego przemysłu mleczarskiego • Reakcje syntezy w środowiskach zawierających rozpuszczalniki organiczne 23 INZYNIERIAMATERIALOWAPL Synteza alkilowych (arylowych) pochodnych galaktopiranozy Synteza chemiczna: 4 etapy HO O HO HO AcO (MeCO)2O OH O katalizator OH AcO OAc AcO AcO HBr O AcO OAc Br OAc AcO AcO MeOH/HgO O AcO AcO OMe HO MeO /MeOH O OAc HO Synteza enzymatyczna: HO MeOH O HO OH OH 1 etap !!! HO OH HO galaktoza lub glukoza OMe HO O HO HO OMe OH H2O lub cukier 24 INZYNIERIAMATERIALOWAPL INZYNIERIAMATERIALOWAPL Dziękuję za uwagę INZYNIERIAMATERIALOWAPL
