Biotechnologia
1. integracja nauk przyrodniczych i inżynieryjnych w celu zastosowania organizmów, komórek lub ich części oraz molekularnych analogów w celu pozyskania produktów i usług
Dyscyplina na pograniczu nauk
- biologicznych (genetyki, mikrobiologii, biochemii)
- chemicznych
- medycznych
- techniki
Wykorzystuje żywe komórki lub ich fragmenty do celów gospodarczych
- wytwarzanie substancji
- szybkie rozmnażanie organizmów
Procesy biotechnologiczne
1. Fermentacja z użyciem drożdży wykorzystywana w produkcji chleba, piwa, wina, przetworów mlecznych, kiszonych produktów roślinnych
2. Produkcja przemysłowa – kwasu mlekowego, kwasu cytrynowego, preparatów enzymatycznych, acetonu, butanolu, penicyliny
3. Inżynieria chemiczna:
- identyfikacja bioproduktów
- wydzielanie bioproduktów
- oczyszczanie bioproduktów
4. Wykorzystanie kultur in vitro do produkcji:
– szczepionek antywirusowych
– wtórnych metabolitów roślinnych
5. Biologia molekularna
- inżynieria genetyczna (wytwarzanie insuliny ludzkiej w komórkach bakteryjnych)
- zsekwencjonowanie genu (bakterii, drożdży, nicieni, muszki owocowej, rzodkiewnika pospolitego, 95% genomu człowieka)
- rośliny transgeniczne
Rośliny transgeniczne
Organizmy wyższe, którym wprowadzono gen przekazywany następnym pokoleniem zgodnie z podstawowymi prawami dziedziczenia.
· transgeniczna bawełna zawiera niewielką domieszkę poliestru
· transgeniczne pomidory maja przedłużona trwałość przechowywania
· transgeniczny tytoń odporny na herbicydy
· transgeniczne ziemniaki produkują białko odpowiedzialne za ciśnienie krwi ludzkiej.
Fuzja – połączenie komórek różnych roślin (mieszańce międzygatunkowe)
Transformacja – modyfikacja poprzez mutacje
Organogeneza – odtworzenie roślin – klonowanie.
Embriogeneza – namnażanie embrionów
Wartość rynku biotechnologicznego
1. produkty rolne i żywnościowe w UE w 2005 r. 175 mld euro
2. wprowadzenie apomiksji do ryżu (rozmarzanie bez zapłodnienia) 2,5mld $ rocznie
3. wzrost zawartości suchej masy w owocach pomidora o 0,5% w USA 35mld$ rocznie
4. straty powodowanie przez nicienie 100mld$ rocznie
Wartość odmianowa roślin GMO
1. predyspozycje genetyczne umożliwiające produkcję roślin w trudnym środowisku – bez jego zmian
2. rośliny odporne na choroby lub szkodniki – bez stosowanie zabiegów ochronnych
3. w ziarnie więcej białka – bez dodatku konserwantów
4. kwiaty barwne, wysmukłe i pachnące – bez chemikaliów.
Zagrożenia wynikające ze stosowania biotechnologii:
- manipulacja niebezpiecznym materiałem genetycznym (onkogeny, drobnoustroje chorobotwórcze, kultury komórkowe nowotworów)
- bioterroryzm (broń biologiczna np. wąglik)
- alergiczne działanie białka w kukurydzy Star Link (wprowadzono gen odpowiedzialny za produkcję toksyny bakteryjnej Bt, kukurydza ta może być wyłączeni składnikiem pasz zwierzęcych
- możliwość przenoszenia na konsumenta odporności na antybiotyki.
Ważne daty:
1839 – Schwann i Schleiden – teoria totipotencji komórki – komórkowa budowa wszystkich organizmów
1902 – Hanning – zasady hodowli komórek, tkanek i organów
1937 – Went i Thimann – wpływ IAA na rośliny
1948 – Skoog i Tsui – ustalenie stosunku auksyn do adeniny w pożywce do regeneracji pędów i korzeni z kalusa tytoniu
1952 – Morel i Martin – bezwirusowe dalie z kultur merystemów wierzchołkowych
1954 – Muir i inni – regeneracja pierwszej rośliny z pojedynczej komórki
1956 – Miller i Skoog i Okumara – oznaczenie kinetyny
1962 – Murashige-Skoog – skład uniwersalnej pożywki
1969 – Ericsson i Jonassen – izolacja protoplastu z kultury zawiesinowej
1973 – odkrycie plazmidu Ti u Agrobacterium tumefacjens
Czynniki wzrostu produkcji roślin uprawnych:
- postęp biologiczny
- ochrona roślin
- agrotechnika
Metody kultury in vitro
Cel stosowania kultury in vitro:
1. szybkie wprowadzenie na rynek nowych odmian
2. rozmnażanie genotypów trudno korzeniących się
3. uzyskanie zdrowego i juwenilnego materiału matecznego do dalszej reprodukcji
4. uzyskanie materiału matecznego, wyrównanego genotypowo i fenotypowo – wszystkie rośliny są takie same jak roślina mateczna
5. uzyskanie potomstwa wolnego od chorób wirusowych
6. hodowla twórcza nowych form roślin
7. banki genów (przechowalnie tkanek roślinnych przez długi czas w warunkach in vitro)
Etapy kultury in vitro:
1. uzyskanie sterylnej kultury
2. masowe namnażanie pędów
3. ukorzenienie in vitro
4. aklimatyzacja roślin w szklarni
Zdolność morfologiczna komórek roślinnych.
Totipotencja komórki – nieograniczona zdolność do dzielenia się oraz odtworzenia poszczególnych organów i całego organizmu
Wszystkie komórki rośliny zawierają taka sama informację genetyczną powielona z zygoty
Zróżnicowanie morfologiczne i funkcjonale komórki jest sterowane genetycznie i wynika z zablokowania niektórych genów.
Zdolność do podziałów i wzrostu w kulturze in vitro jest odwrotnie proporcjonalne do:
- stopnia zróżnicowania komórek
- specjalizacji komórek
Dyferencjacja – odróżnicowanie niezbędne do ponownego podjęcia podziałów komórkowych – uaktywnienia zablokowanych genów
Bodźce wyzwalające dyferencjację w kulturach in vitro
- odizolowanie komórek i tkanek od rośliny matecznej
- wpływ regulatorów wzrostu zastosowanych w pożywce
Redyferencjajca – powtórne różnicowanie 0dmłodzonych komórek – ponowne zablokowanie genów.
Komórki przydatne do kultur in vitro posiadają:
- żywotne jądro komórkowe
- nieuszkodzone błony plazmatyczne
- cienkie ściany
Eksplantaty najbardziej przydatne do kultur in vitro:
1. komórki merystemów wierzchołkowych, bocznych i interkalarnych
- wierzchołki korzenia i pędu
- zawiązki pędów bocznych
2. fragmenty roślin zawierające komórki kambialne
- perycykl – okolnica – zewnętrzna warstwa komórek walce osiowego w której powstają zawiązki korzeni bocznych
- promienie rdzeniowe – przewodzą i gromadzą substancje zapasowe
- wiązki przewodzące (sitowo naczyniowe)
3. tkanki zdolne do odróżnicowania
- komórki parenchymatyczne rdzenia (komórki miękiszowe)
- bulwy
- kora łodygowa i korzeniowa
- niektóre komórki skórki
Komórki nieprzydatne do kultur in vitro:
1. komórki zróżnicowane i wyspecjalizowane pod względem strukturalnym i fizjologicznym:
- komórki przyszparkowe
- cewki
- włókna
- komórki włośników wydzielniczych
- komórki sklerenchymy
Organogeneza in vitro:
· bezpośrednia
- na eksplantacje tworzą się korzenie, pędy i zarodki
· pośrednia
- organogenezę poprzedza powstanie kalusa
- w kalusie tworzą się centra komórek merystematycznych
Powstanie organów w kulturach in vitro:
1. z merystemów wierzchołkowych z eksplantatem
2. z tkanek zorganizowanych
- międzywęźla łodygowe
- blaszki liściowe
- liścienie
- strefa wydłużenia komórek w korzeniu
3. z tkanek niezorganizowanych
- z kallusa
Pochodzenie organu przybyszowego:
1. od jednej komórki merystematycznej
2. od grupy komórek działających w sposób skoordynowany
3. z grupy komórek odmiennych genetyczne – organ będzie chimerą
Zdolność rośliny do regeneracji in vitro:
1. rośliny okrytonasienne (wysoka)
- rośliny dwuliścienne (+++)
- rośliny jednoliścienne (++)
2. rośliny nagonasienne (niska)
1. gatunki o dużej zdolności morfologicznej (zielne) tytoń, begonia
2. gatunki słabo regenerujące – rośliny drzewiaste
Czynniki od których zależy zdolność roślin do regeneracji in vitro:
1. stan fizjologiczny rośliny wyjściowej
2. zdrowotność rośliny wyjściowej
3. położenie tkanek w roślinie – lepiej regeneruje górna część korzenia
Materiał roślinny do hodowli in vitro:
1. merystemy wierzchołkowe
2. merystemy z pędów przybyszowych, bocznych lub śpiących
3. fragmenty liści
4. fragmenty pędów kwiatostanowych
Składniki pożywki
1. makroelementy N, S, P, K, Mg, Ca, Cl
2. mikroelementy Fe, B, Cu, Mn, Mo, Zn
3. ultramikroelementy Ca, J, Al., Ni
4. Regulatory wzrostu
5. auksyny naturalne
- IAA kwas indolilo-3-octowy
- IBA kwas indolilo-3-masłowy
- PAA kwas fenylooctowy
6. auksyny syntetyczne:
- NAA kwas naftylo-1-octowy
- 2,4D kwas 2,4-dichlorofenoksyoctowy
- dicamba kwas 2-metoksy-3,6-dichlorobenzoesowy
- picloram kwas 4-amino-3,5,6-trichloropikolinowy
7. auksyny naturalne:
- Zea – zeatyna
- 2iP 6(γγ-dinetyloalliloamino)puryna
8. cytokininy syntetyczne
- K kinetyka
- BA benzyloaminopuryna
- BPA tetrahydropiranylobenzyloadenina
- TDZ tidiazuron
9. gibereliny GA3
10. inhibitory wzrostu ABA
11. witaminy B1, B6, H, PP, C
12. aminokwasy – glicyna pepton
13. węglowodany – sacharoza, glukoza, fruktoza
14. inozytol
15. agar (0,6-1%) lub gerlite (0,2%)
16. węgiel aktywny (0,02-0,035)
17. naturalne substancje biologicznie czynne (mleczko kokosowe, drożdże, sok ananasowy, sok topoli, miękisz dojrzałych bananów, wyciąg z gotowanych ziemniaków)
18. odczyn pożywki powinien wynosić os pH 4,8 do 5,7
Ustalenie pH pożywki przed dodaniem agaru i sterylizacją w autoklawie za pomocą 1nNaOH 1nHCl
Pożywka Knudsona 1946
Ca(NO3)2 * 4H2O 100mg*l-1
(NH4)2SO4 500 mg*l-1
MgSO4 * 7H2O 250 mg*l-1
KH2PO4 250 mg*l-1
MnSO4 * 4H2O 7,5 mg*l-1
FeSO4 * 7H2O 25 mg*l-1
Sacharoza 20g*l-1
Pożywka Murashige i Skooga 1962
KNO 1900 mg*l-1
NH4NO3 1650 mg*l-1
MgSO4 * 7H2O 370...
WiktoriaM85