ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ. Ευάγγελος Τόπακας Επικ. Καθηγητής ΕΜΠ

Transcript

1 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ Ευάγγελος Τόπακας Επικ. Καθηγητής ΕΜΠ

2 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ (Alberts et al.) ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ (Μαργαρίτης et al.) ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΒΙΟΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ (Shuler & Kargi) ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΒΙΟΧΗΜΕΙΑΣ (Lehninger)

3 Ιστοσελίδα µαθήµατος

4 Εξέταση του µαθήµατος Διδάσκοντες: Δ. Κέκος, Ε. Τόπακας, Α. Δέτση Δύο απαλλακτικές πρόοδοι! Η 2 η πρόοδος λαµβάνει χώρα στις τελικές εξετάσεις του µαθήµατος. Εποµένως ο φοιτητής επιλέγει είτε να εξεταστεί στη 2 η πρόοδο λαµβάνοντας υπόψη το βαθµό της 1 ης προόδου µε τελικό βαθµό το µέσο όρο των δυο προόδων είτε σε όλη την ύλη κανονικά καταργώντας το βαθµό της 1 ης προόδου.

5 NOBEL ΙΑΤΡΙΚΗΣ 2009 Για την ανακάλυψη «πως τα χρωµοσώµατα προστατεύονται µε τα τελοµερή και το ένζυµο τελοµεράση» Κεφάλαιο 6 Alberts et al.: Επιδιόρθωση του DNA

6 Το πρόβληµα αντιγραφής του DNA Συµβαίνει ΜΟΝΟ στους ευκαρυωτικούς οργανισµούς αφού οι προκαρυωτικοί αντιµετωπίζουν το πρόβληµα µε το κυκλικό τους DNA

7 H ολοκλήρωση της σύνθεσης του DNA στα άκρα (τελοµερίδια) των χρωµοσωµάτων

8 «ΚΛΕΨΥΔΡΑ ΚΥΤΤΑΡΟΥ» Όταν το κύτταρο διαιρείται, χάνει ένα µέρος των τελοµερών του Όταν το µήκος των τελοµερών φτάσει σε ένα καθορισµένο σηµείο, τα κύτταρα λαµβάνουν το µήνυµα ότι πρέπει να πεθάνουν

9 Τελοµεριδιακή θεωρία της γήρανσης Η ένδεια των τελοµερών συνδέεται µε τα φαινόµενα κυτταρικού µαρασµού που παρατηρούνται κατά την φυσιολογική γήρανση των οργανισµών. Όταν εξαντληθούν οι τελοµεράσες γερνάµε (αναπαραγωγή κυττάρων ~50 φορές, όριο Heyflick)

10 Πότε εξαντλούνται οι τελοµεράσες; Μετά την ηλικία της αναπαραγωγής (παραγωγή ωαρίων, σπερµατοζωαρίων)

11 Υπάρχουν δυο κατηγορίες κυττάρων που δεν πρέπει ή δε θέλουν να πεθάνουν ü Τα βλαστικά κύτταρα (αρχέγονα, stem cells) ü Τα καρκινικά (εµφάνιση µεγάλης δραστικότητας τελοµεράσης!!)

12 Υπάρχουν δυο κατηγορίες κυττάρων που δεν πρέπει ή δε θέλουν να πεθάνουν ü Ανακάλυψη µοριακών διακοπτών on/off για τις τελοµεράσες (19/09/2014, Salk Institute of Biological Sciences)

13 NOBEL ΧΗΜΕΙΑΣ 2009 Για την µελέτες τους στην επεξεργασία του «λεπτοµερούς χάρτη του ριβοσώµατος, του εργοστασίου πρωτεϊνών του κυττάρου» Κεφάλαιο 6 Alberts et al.: Επιδιόρθωση του DNA

14

15

16

17

18 Αντιβιοτικά που αναστέλλουν την πρωτεϊνοσύνθεση Τετρακυκλίνη Χλωροαµφενικόλη Ερυθροµυκίνη Στρεπτοµυκίνη Ριφαµυκίνη X X X Αναστέλλει την πρόσδεση trna στη θέση Α Παρεµποδίζει την έναρξη Αναστέλλει την πρόσδεση των αµινοξέων στην δηµιουργούµενη πεπτιδική αλυσίδα

19 Αντιβιοτικά που αναστέλλουν την πρωτεϊνοσύνθεση

20 Πως φτάσαµε ως εδώ... Ανεξέλεγκτη πώληση αντιβιοτικών µετά το 1950 Μόνο τρία αντιβιοτικά µε διαφορετικούς µηχανισµούς δράσης έχουν εισαχθεί στην αγορά τα τελευταία 40 χρόνια Λανθασµένη δοσολογία. Τα αντιβιοτικά πρέπει να καταναλώνονται από 7-14 µέρες Μη συνταγογραφούµενα αντιβιοτικά

21 Κατανάλωση αντιβιοτικών στην ΕΕ EUROPEAN ANTIBIOTIC AWARENESS DAY NOVEMBER 2014

22 Η ιστορία της πενικιλίνης: Πως οι Βιολόγοι και οι Μηχανικοί µπορούν να συνεργαστούν

23 Προσπάθεια αποµόνωσης του Staphylococcus aureus Φωτογραφία του αυθεντικού τρυβλίου του Alexander Fleming που παρουσιάζει την ανάπτυξη του µύκητα Penicillium notatum και την αναστολή της βακτηριακής ανάπτυξης (1928)

24 Η συµβολή της Χηµικής Μηχανικής 1939: Παραγωγή πενικιλλίνης 0,001 g/lt µε Ζύµωση Στερεάς Κατάστασης χρησιµοποιώντας πίτυρο σίτου υψηλής υγρασίας Πρόβληµα: Χαµηλή παραγωγικότητα! Λύσεις (A. L. Elder): 1. Βελτιστοποίηση µέσου ανάπτυξης (απόνερα έκπλυσης αραβοσίτου) 2. Αποµόνωση καλύτερου στελέχους (Penicillium chrysogenum, λαϊκή αγορά Peoria). 3. Αλλαγή διεργασίας ζύµωσης από στερεή καλλιέργεια σε βυθισµένη (δύσκολος έλεγχος αποστειρωµένων συνθηκών)

25 Η συµβολή της Χηµικής Μηχανικής Σήµερα η απόδοση της διεργασίας αυξήθηκε από 0,001 g/lt σε >50 g/lt (50000 φορές περισσότερο) Σειρά βιοαντιδραστήρων µεγάλης κλίµακας παραγωγής αντιβιοτικών

26 Κατεύθυνση: ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ ΓΕΝΕΤΙΚΗ ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΑ ΧΗΜ. ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ορισµός: Εφαρµογή των βιολογικών οργανισµών, συστηµάτων και διαδικασιών στις βιοµηχανίες παραγωγής αγαθών και υπηρεσιών

27 Βιοµάζα Βιοµόρια Οργ. µόρια Ανοργ. µόρια Τεχνικές διεργασίες

28 ΓΕΩΡΓΙΑ Γενετική βελτίωση ποικιλιών φυτών για αντοχή στις ασθένειες, ξηρασία, αφιλόξενα εδάφη Μαζική παραγωγή κλώνων Ανάπτυξη βιο-εντοµοκτόνων Γενετική βελτίωση φυτών για αναβάθµιση των θρεπτικών και τεχνολογικών χαρακτηριστικών τους ΖΩΟΤΕΧΝΙΑ Παραγωγή νέων εµβολίων Έλεγχος γονιµότητας παραγωγικών ζώων Γενετική βελτίωση παραγωγικών ζώων (διαγονιδιακά ζώα) ΙΑΤΡΙΚΗ-ΦΑΡΜΑΚΑ Ανάπτυξη νέων φαρµάκων (ειδικοί παρεµποδιστές) Νέα διαγνωστικά (ενζυµική τεχνολογία) Νέα συστήµατα εφαρµογής φαρµάκων (κατευθυνόµενα φάρµακα) Μηχανική ιστών και οργάνων σώµατος (αρχέγονα) Γονιδιακή θεραπεία

29 ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Ανάκτηση βαρέων µετάλλων από απόβλητα ορυχείων και βιοµηχανιών Βίο-αποκατάσταση εδαφών και υδάτων, µολυσµένων µε χηµικές τοξικές ουσίες Επεξεργασία αστικών και άλλων αποβλήτων ΤΡΟΦΙΜΑ Ζυµωµένα προϊόντα αρτοποιίας, γαλακτοκοµίας, βιοµηχανίας κρέατος, κ.ά. Βιοµηχανία µπύρας, κρασιών, ποτών, κ.ά. Παραγωγή βελτιωτικών γεύσης και αρώµατος ΧΗΜΙΚΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ Παραγωγή χηµικών και βιοχηµικών ουσιών ευρείας κατανάλωσης Βιοσύνθεση ειδικών χηµικών ουσιών υψηλής προστιθέµενης αξίας

30 Σύγχρονη Κλασσική Γενετική, Πρωτεϊνική, Μεταβολική Μηχανική Παραδοσιακές ζυµώσεις Νέα Φάρµακα Ειδικά Χηµικά Τρόφιµα (GMO) Βιοκαύσιµα Περιβάλλον Τρόφιµα Ποτά Χηµικά Φάρµακα Περιβάλλον

31 Η τεχνολογία που συνεπάγεται όλες τις διεργασίες που µεταβάλλουν το γενετικό υλικό ενός κυττάρου για να το κάνει ικανό να εκτελέσει τις επιθυµητές λειτουργίες, όπως πχ την παραγωγή καινοτόµων ουσιών.

32 Στοχεύει στην τροποποίηση της ακολουθίας αµινοξέων µιας πρωτεΐνης για την καλύτερη κατανόηση της σχέσης δοµής/ λειτουργίας ή για τη λήψη επιθυµητών χαρακτηριστικών. Η υπολογιστική µοριακή µοντελοποίηση παρέχει µία ορθολογική µέθοδο για τη λήψη λεπτοµερούς γνώσης της σχέσης δοµής/λειτουργίας µίας πρωτεΐνης, όπως και της επίδρασης στην ενέργεια µεταλλάξεων στην σταθερότητα των πρωτεϊνών ή την αλληλεπίδραση ενζύµου υποστρώµατος ή ενζύµου-ενζύµου.

33 ΓΛΥΚΟΖΗ 6-Φωσφορική γλυκόζη ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ Χλωροτετρακυκλίνη 6-Φωσφορική φρουκτόζη Φωσφοφρουκτοκινάση Φώσφο-ενόλ-πυροσταφυλικό οξύ Πυροσταφυλική κινάση Πυροσταφυλικό οξύ Πυροσταφυλική αφυδρογονάση Ακέτυλο-συνένζυµο Α Οξαλικό οξύ Κιτρική συνθάση Κιτρικό οξύ Ισοκιτρικό οξύ ΚΥΚΛΟΣ KREBS α-κετογλουταρικό οξύ Μεταβολική µηχανική είναι η βελτιστοποίηση γενετικών και ρυθµιστικών διεργασιών στα κύτταρα µε στόχο την αύξηση της κυτταρικής παραγωγής ενός προϊόντος.

34 Τι είναι η ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΒΙΟΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ; ΕΙΝΑΙ Η ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΩΝ ΑΡΧΩΝ ΤΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΣΤΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜ0, ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΒΙΟΚΑΤΑΛΥΤΩΝ

35 Θρεπτικό υλικό ΚΥΤΤΑΡΟ Κύτταρο DNA RNA Πρωτεΐνη Βιοµόρια υψηλής προστιθέµενης αξίας Βιοπληροφορική Γενετική Μηχανική Πρωτεϊνική Μηχανική Μεταβολική Μηχανική Μηχανική Βιοδιεργασιών

36 Τα κύτταρα µπορούν να συγκριθούν µε µεγάλα εργοστάσια µε κέντρα παραγωγής ενέργειας και µεταφορών, τράπεζας δεδοµένων και ειδικών τµηµάτων όπου εκτελούνται χηµικές διεργασίες. Η µόνη προφανής διαφορά είναι το µέγεθος

37 Βιοµηχανική Βιοτεχνολογία Ορισµός: Βιοµηχανική Βιοτεχνολογία (ή Λευκή Βιοτεχνολογία) είναι η βιοµετατροπή οργανικών συστατικών της βιοµάζας ή παραγώγων της προς χηµικά προϊόντα, υλικά και/ή ενέργεια, µέσω µικροβιακής ζύµωσης, κυτταρικής καλλιέργειας ή βιοκαταλυτών. European Federation of Biotechnology Η Βιοµηχανική Βιοτεχνολογία έχει σαν στόχο την παροχή αυτόνοµων, ανταγωνιστικών και φιλικών ως προς το περιβάλλον εναλλακτικών διεργασιών σε σχέση µε τις υπάρχουσες ή πρόσφατα προτεινόµενες πετροχηµικές διεργασίες.

38 10 11 tn/έτος Κυτταρίνη (38-50%) Οµοπολυµερή της β-γλυκόζης µεγάλου µοριακού βάρους µε ηµικρυσταλλική η κρυσταλλική δοµή Λιγνίνη (15-25%) Πολυσύνθετο δίκτυο αρωµατικών ενώσεων Ηµικυτταρίνη (23-32%) Ετεροπολυµερή µικρής αλυσίδας πεντοζών (ξυλόζη, αραβινόζη) η εξοζών (µαννόζη) µε πλευρικές διακλαδώσεις (αραβινόζη, γαλακτόζη, γλυκόζη, γλυκουρονικό οξύ). Μη κρυσταλική µορφή

39 Κλασσική Βιοµηχανική Βιοτεχνολογία Πρωτεύουσα Προκατεργασία Χηµική, Θερµική, Μηχανική Δευτερεύουσα Προκατεργασία Ένζυµα, Βιοκατάλυση Βιοκατάλυση Ζύµωση Βιοµάζα Προκατεργασµένη Π.Υ. (Γλυκόζη) Απόβλητα Ενέργεια Προϊόν Θρεπτικά στοιχεία, O2 ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Αµινοξέα (Λυσίνη, Γλουταµινικό), Αντιβιοτικά (Πενικιλίνη), Βιταµίνες (Ασκορβικό οξύ) Πριν την ανακάλυψη των γονιδιωµάτων διαφόρων παραγωγών µικροοργανισµών, η κλασσική βιοτεχνολογική πλατφόρµα βασιζόταν στη βελτίωση του στελέχους µε τυχαίες µεταλλάξεις, επιλογή και χρήση συµβατικής βιοχηµικής µηχανικής. Αυτό τυπικά περιελάµβανε την επιλογή του καλού παραγωγού και της βελτιστοποίησης της διεργασίας ζύµωσης. Το κύτταροπαραγωγός αποτελούσε «µαύρο κουτί».

40 Λειτουργική Γονιδιωµατική Η µελέτη των Γονιδιωµάτων ονοµάστηκε Γονιδιωµατική Η γονιδιωµατική οδήγησε στην Λειτουργική Γονιδιωµατική (Functional genomics) η οποία ορίζεται ως η ποσοτική συλλογή, ανάλυση και ολοκλήρωση δεδοµένων γονιδιακής κλίµακας επιτρέποντας την κατασκευή βιολογικών και προγνωστικών µαθηµατικών µοντέλων. Η λήψη δεδοµένων γίνεται µε τη χρήση τεχνολογιών υψηλής λειτουργικής δυναµικότητας (high-throughput). Σήµερα, συνήθως µιλάµε για: Genomics (Γενωµική) Transcriptomics (Μεταγραφοµική) Proteomics (Πρωτεοµική) Metabolomics (Μεταβολοµική) [Οτιδήποτε]omics

41 Αλληλούχιση DNA 29/09/2015

42 Οµικές Τεχνολογίες Γονιδιακές και µεταγενωµικές βιβλιοθήκες Κυτταρική βιοµετρία Συγκριτική X-οµική Υπολογιστική Συστηµική Βιολογία Λήψη δεδοµένων κυτταρικού δικτύου Ανασυγκρότηση κυτταρικού δικτύου In silico κυτταρική τεχνολογία Σχεδιασµός καινοτόµων καταλυτών µέσω µεταγενωµικής ανακάλυψης Διεξοδική ποσοτικοποίηση µεταβολιτών Μηχανική σε επίπεδο πρωτεΐνης Καινοτόµες καταλυτικές λειτουργίες µέσω de novo σχεδιασµού Μεταβολική Μηχανική Βελτίωση στελέχους µέσω Κυτταρική µηχανικής Συστηµική προσέγγιση για τη βελτιστοποίηση κυτταρικού φαινοτύπου Ποσοτικοποίηση και χαρακτηρισµός µεταβολικών µονοπατιών Αυτοµατοποιηµένες µέθοδοι κατασκευής µεταβολικών µονοπατιών βασιζόµενοι στη γονιδιακή ακολουθία Γρήγορη ταυτοποίηση γονιδιακών στόχων από κυτταρική βιοµετρία Σχεδιασµός µεταβολικών µονοπατιών Χειρισµός του φαινότυπου µέσω σχεδιασµένων γενετικών κυκλωµάτων Πρωτεϊνική Μηχανική Αποδοτική ανίχνευση της λειτουργικής περιοχής πρωτεϊνών Τροποποίηση πρωτεϊνών για διαφορετικούς κυτταρικούς ξενιστές Τροποποίηση µη καταλυτικών περιοχών πρωτεϊνών Συνθετική Βιολογία Καταλογογράφηση στοιχείων ελέγχου δικτύων De novo σχεδιασµός και σύνθεση βιοµορίων Συνδυασµός επιµέρων στοιχείων σε δίκτυα µε προδιαγεγραµµένη συµπεριφορά

43 Εργαλεία Λειτουργικής Γονιδιωµατικής Αρχικά γίνεται η ολοκλήρωση των δεδοµένων που προκύπτουν από τις οµικές τεχνολογίες αποκαλύπτοντας µονοπάτια στόχους και στρατηγικές µεταβολικής µηχανικής. Ακολουθεί χαρακτηρισµός των υποψηφίων γονιδίων που εµπλέκονται στην επιθυµητή µεταβολική δραστηριότητα. Η στρατηγική περιλαµβάνει σβήσιµο, υπερέκφραση ή διαµόρφωση ενός ή περισσοτέρων γονιδίων που ανήκουν σε ένα ή περισσότερα µονοπάτια

44 Βελτίωση Παραγωγού Στελέχους Adapted from Professor Jens Nielsen, CMB 2006 Ο κύκλος αυτός ανάπτυξης επαναλαµβάνεται µε σκοπό τη δηµιουργία βελτιωµένων στελεχών, όπως αυτά απαιτούνται από τη διεργασία και την επάρκεια ΠΥ

45 Εξέλιξη της Ανάπτυξης Διεργασιών Κλασσική Βιοµηχανική Βιοτεχνολογία: Η ανάπτυξη διεργασιών βασίζεται στις φυσιολογικές παρατηρήσεις και στις λύσεις Βιοχηµικής Μηχανικής. Σύγχρονη Βιοµηχανική Βιοτεχνολογία: Η χρήση συστηµικής µελέτης δεδοµένων οµικών τεχνολογιών συµβάλει στην ολιστική κατανόηση της τροποποίησης που επιφέρουµε στο µικροβιακό µεταβολισµό µέσω µεταβολικής µηχανικής, βελτιώνοντας στελέχη βιοµηχανικού ενδιαφέροντος προς αποδοτικότερη παραγωγή προϊόντων. Επαναπροσδιορισµός του «Μαύρου κουτιού» της Μηχανικής Δεν είναι µαύρο τώρα πια Saccharomyces cerevisiae Ένας σπουδαίος παραγωγός της Σύγχρονης Βιοµηχανικής Βιοτεχνολογίας

46 Χρονικό της Λειτουργικής Γονιδιωµατικής του Saccharomyces cerevisiae Αποτελεί τον περισσότερο οµικά χαρακτηρισµένο ευκαρυωτικό µικροοργανισµό 1996: Δηµοσίευση ολόκληρου του γονιδιώµατος Goffeau, et. al. Life with 6000 genes, Science 274: 546, : Δηµοσίευση των πρώτων αποτελεσµάτων cdna από µικροσυστοιχίες (spotted microarray) DeRisi, et. al. Exploring the metabolic and genetic control of gene expression on a genomic scale, Science 278: : Δηµοσίευση αποτελεσµάτων oligo-microarray της Affymetrix» Cho, et. al. A genome-wide transcriptional analysis of the mitotic cell cycle, Mol. Cell 2: : Ο Αµερικάνικος FDA τον αναγνωρίζει ως GRAS Ενζυµική παραγωγή ιµβερτάσης από Saccharomyces cerevisiae 2003: Το CMB δηµοσιεύει το πρώτο ολοκληρωµένο µεταβολικό µοντέλο γονιδιακής κλίµακας Förster, et. al. Genome-scale reconstruction of the Saccharomyces cerevisiae metabolic network, Genome Res. 13: >2003: Πολλαπλά µοντέλα οδηγούν στην κατανόηση του transcriptome, proteome, metabolome, και fluxome.

47 Από την προοπτική της Βιοµηχανικής Βιοτεχνολογίας και ανάπτυξης βιοδιεργασιών, πως µπορούµε να εκµεταλλευτούµε τις πληροφορίες αυτές; Ζύµη à Κυτταρικό Εργοστάσιο

48 Κεντρικός Μεταβολισµός Άνθρακα του S. cerevisiae Καθορισµένη Στοιχειοµετρία Κινητικοί Παράµετροι Κεντρικά Μονοπάτια Γλυκόλυση Μεταφορείς Εξοζών Κόµβος Πυροσταφυλικού Μονοπάτι Φωσφορικών Πεντοζών Κύκλος Γλυοξυλικού Οξέος Κύκλος TCA (Krebs) Κύρια Προϊόντα Άνθρακα Βιοµάζα C1: CO 2 C2: Αιθανόλη, οξικό C3: Πυροσταφυλικό, γλυκερόλη P i NADH NAD+ 48 ATP Citrate FADH2 M Fumarate Glycerol ADP Oxaloacetate Malate Succinate ATP CO 2 ADP Glycerol-3-phosphate FADH2 M Glucose ATP ADP Glucose-6-phosphate Fructose-6-phosphate ATP ADP Glycerone-P ATP AMP,P NADH NAD+ Glyceraldehyde-3-phosphate NADH NADH 1,3-Diphosphoglycerate CO 2 Citrate M Malate ADP ATP ADP ATP 3-Phosphoglycerate 2-Phophoglycerate Phosphenolpyruvate ADP ATP CO 2M NADPH M NADP+ M Pyruvate Pyruvate M Malate M Fumarate M FAD M Succinate ADP ATP Fructose-1,6-bisphosphate P i, NAD+ FAD M Glucono-1,5-lactone-6-phosphate P i, NAD+ CO 2 CoA M NAD+ M NAD+ M Succinate M NADH NAD+ Glycine Citrate NADH NAD+ Ethanol Acetaldehyde Oxaloacetate NADH NAD+ CO 2M NADPH NADP+ 3-Phosphohydroxypyruvate 5,10-Methylene-THF NADH CO 2 NH 3 NADH M ATP M NADH M CoA M L-Aspartate-4-semialdehyde Oxaloacetate 2-Oxoglutarate NADPH NADH L-glutamate NADP+ NAD+ L-Serine THF NAD+ THF Glycine Acetyl-CoA M Oxaloacetate M L-Glutamate M NADP+ M Citrate M Isocitrate M Mitochondrion Cytosol NAD+ M NADH M NADPH M 2-Oxoglutarate M CO 2M Succinyl-CoA M ADP M,P im Ribulose-5-phosphate NADPH CO 2 Xylose-5-phosphate NADP+ Ribulose-5-phosphate 6-Phosphogluconate L-Aspartate 3-Phosphoserine P i H 2 O Acetaldehyde NH 3M CoA M CO2M CoA L-Alanine NAD+ M NADH M ATP ADP NAD+ NADH NADP+ NADPH Malate Glyoxylate Isocitrate CoA M 4-Phospho-L-aspartate NADPH NADP+,P i L-Homoserine ATP O-Phospho-L-homoserine 2-Oxobutanoate NH 3 L-Threonine Acetyl-CoA Succinate NADP+ M NADPH M Oxalosuccinate M CO 2M ADP H 2 O P i L-Serine NH 3M NAD+ NADH Acetate THF Glycine L-Threonine NH 3 Glycine 5,10-Methylene-THF

49 NYLON, Polymers Specialty & Fine O O O O CH 3 N H 2 N O N N CH 2 x N O Poly-Amides O O O Succinic Anhydride n O 2 NH 2 Succindiamide g-butyrolactone NMP HO Μοντέλο Βιοδιϋλιστηρίου OH 1,4-Butanediol Παραγωγή δοµικών µορίων µέσω διεργασιών O O ζύµωσης και βιοκατάλυσης από αειφόρο/ O O OH Petrochemical HO ανανεώσιµη βιοµάζα O Succinic Acid Maleic Anhydride Solvent NMP Solvent H H 3 C O O O CH 3 O O N THF Solvent O DBE Tetrahydrofuran 2-Pyrrolidone PBS Polymers

50 Μοντέρνα Βιοµηχανική Βιοτεχνολογία Το µέλλον της Ανάπτυξης Διεργασιών Ο S. cerevisiae αποτελεί κυρίαρχο παίκτη αφού καθιστά δυνατή την ανάδραση και την ολοκληρωµένη ανάπτυξη της διεργασίας Ο χαρακτηρισµός µε τη χρήση -οµικών εργαλείων προσφέρει δεδοµένα πρόβλεψης in silico τα οποία οδηγούν σε βιώσιµες λύσεις Μεταβολικής Μηχανικής Παραγωγή Προϊόντος και αύξηση Παραγωγικότητας

51 Εργαστηριακής κλίµακας Βιοαντιδραστήρες Gas Supply Sampling Thermal mass flow controllers (AIR, O 2, N 2, CO 2 ) P P P Spent broth Probes (DO, ph, T) Base solution Feed Medium Liquid removal dip tube Impeller (pitched blade) Process Controller [DO, ph, Temp, Substrate] Water jacket Ring sparger

52 Gardasil Το εµβόλιο κατά του καρκίνου του τραχήλου της µήτρας Είναι ένα ενέσιµο εναιώρηµα το οποίο περιέχει καθαρές πρωτεΐνες L1 για 4 τύπους του ιού των ανθρωπίνων θηλωµάτων (τύποι 6, 11, 16 και 18) Παράγεται από τον Saccharomyces cerevisiae

53 Προέρχονται από S. cerevisiae στον οποίο έχει ενσωµατωθεί ένα γονίδιο που του επιτρέπει την παραγωγή πρωτεϊνών L1. Οι πρωτεΐνες σχηµατίζουν σωµατίδια προσοµοιάζονται του ιού (πρόκειται για δοµές που µοιάζουν µε τον ιό HPV, ούτως ώστε το σώµα να τις αναγνωρίζει εύκολα). Το εµβόλιο περιέχει επίσης «ανοσοενισχυτικό» (ένα συστατικό που περιέχει αργίλιο) για καλύτερη ανταπόκριση του οργανισµού. Όταν το εµβόλιο χορηγείται στον ασθενή, το ανοσοποιητικό του σύστηµα (το σύστηµα που καταπολεµά τις ασθένειες) παράγει αντισώµατα ενάντια στις συγκεκριµένες πρωτεΐνες. Τα αντισώµατα βοηθούν στην εξόντωση του ιού. Έπειτα από τον εµβολιασµό, το ανοσοποιητικό σύστηµα είναι σε θέση να παράγει τα αντισώµατα γρηγορότερα όταν εκτεθεί εκ νέου στους ιούς. Η διαδικασία αυτή βοηθάει στην προστασία έναντι των ασθενειών που προκαλούνται από τους εν λόγω ιούς.

54 ΥΛΗ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ ΚΕΦ. 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΚΥΤΤΑΡΑ (κ. Τόπακας) ΚΕΦ. 2 ΧΗΜΙΚΗ ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ (κ. Δέτση*) ΚΕΦ. 3 ΕΝΕΡΓΕΙΑ, ΚΑΤΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΒΙΟΣΥΝΘΕΣΗ (κ. Τόπακας) ΚΕΦ. 4 ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ (κ. Δέτση*) ΚΕΦ. 5 DNA ΚΑΙ ΧΡΩΜΟΣΩΜΑΤΑ (κ. Δέτση*, Τόπακας) ΚΕΦ. 6 ΑΝΤΙΓΡΑΦΗ, ΕΠΙΔΙΟΡΘΩΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΣΥΝΔΥΑΣΜΟΣ ΤΟΥ DNA (κ. Τόπακας) ΚΕΦ. 7 ΑΠΟ ΤΟ DNA ΣΤΙΣ ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ: ΠΩΣ ΔΙΑΒΑΖΟΥΝ ΤΑ ΚΥΤΤΑΡΑ ΤΟ ΓΟΝΙΔΙΩΜΑ (κ. Τόπακας) ΚΕΦ. 8 ΤΑ ΧΡΩΜΟΣΩΜΑΤΑ ΚΑΙ Η ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΩΝ ΓΟΝΙΔΙΩΝ (κ. Κέκος) ΚΕΦ. 11 ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ (κ. Κέκος) ΚΕΦ. 12 ΜΕΜΒΡΑΝΙΚΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ (κ. Κέκος) ΚΕΦ. 13 ΤΑ ΚΥΤΤΑΡΑ ΑΠΟΚΤΟΥΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΤΙΣ ΤΡΟΦΕΣ (κ. Τόπακας) ΚΕΦ. 14 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΑ ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΑ ΚΑΙ ΤΟΥΣ ΧΛΩΡΟΠΛΑΣΤΕΣ (κ. Τόπακας) * Συµβουλευτείτε τη διδάσκουσα και τις αντίστοιχες σηµειώσεις