Εφαρμοσμένη Βιοτεχνολογία Σημειώσεις. Νίκος Τσουκιάς Σχολή Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ Η405β

Transcript

1 Εφαρμοσμένη Βιοτεχνολογία Σημειώσεις Νίκος Τσουκιάς Σχολή Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ Η405β

2

3 Η επιστήμη της Βιοτεχνολογίας The American Chemical Society defines biotechnology as the application of biological organisms, systems, or processes by various industries to learning about the science of life and the improvement of the value of materials and organisms such as pharmaceuticals, crops, and livestock. As per European Federation of Biotechnology, Biotechnology is the integration of natural science and organisms, cells, parts thereof, and molecular analogues for products and services. Green biotechnology is biotechnology applied to agricultural processes. Red biotechnology is applied to medical processes. (antibiotics, gene therapy). White biotechnology, also known as industrial biotechnology, is biotechnology applied to industrial processes. An example is the designing of an organism to produce a useful chemical. Ο τομέας της Βιοτεχνολογίας περικλείει έναν μεγάλο αριθμό ειδικοτήτων και επιστημονικών τομέων και περιλαμβάνει δραστηριότητες σε τομείς όπως η ιατρική, το περιβάλλον, η ενεργεία, τα τρόφιμα και τα υλικά.

4 Βιοτεχνολογία - Εφαρμοσμένη Βιολογία Βιοχημική Μηχανική (Biochemical Engineering) Βιομοριακή Μηχανική (Biomolecular Engineering) Εμβιομηχανική (Bioengineering) Βιοϊατρική Μηχανική (Biomedical Engineering) Μηχανική Βιοδιεργασιών

5 Η Βιοχημική Μηχανική/Μηχανική Βιοδιεργασιών μελετά τον σχεδιασμό και την ανάπτυξη διεργασιών που κυρίως έχουν στόχο την παραγωγή ενώσεων από φθηνότερες πρώτες ύλες, όπως για παράδειγμα την παραγωγή αιθανόλης από ζάχαρη ή την παραγωγή αντιβιοτικών και φαρμάκων. Για τον μετασχηματισμό της πρώτης ύλης χρησιμοποιούνται συνήθως ζωντανά κύτταρα και μικροοργανισμοί που παράγουν ένζυμα για την κατάλυση χημικών αντιδράσεων. Οι Βιοχημικοί μηχανικοί προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν την συνθετική ικανότητα των κύτταρων στην παραγωγή αυτών των ενζύμων ή και επεμβαίνουν στις γενετικές πληροφορίες του κύτταρου ώστε να βελτιστοποιήσουν την παραγωγή του ζητούμενου προϊόντος από το μεταβολισμό των πρώτων υλών στο κύτταρο.

6 H Βιοϊατρική Μηχανική/Εμβιομηχανική είναι η επιστήμη που συνδυάζει την βιολογία και την ιατρική με μεθοδολογία μηχανικών, με σκοπό την καλυτέρευση της ανθρώπινης υγείας. Ο επιστημονικός αυτός τομέας επικεντρώνεται α) στην ανάλυση της πολυπλοκότητας ζώντων οργανισμών χρησιμοποιώντας θεωρητικές ή πειραματικές μεθόδους β) στην δημιουργία μηχανημάτων/αλγορίθμων/μεθόδων που προωθούν την ιατροβιολογική γνώση και εξελίσσουν την κλινική πρακτική.

7 Τομείς Βιοϊατρικής Μηχανικής Βιοϋλικά (Biomaterials) Βιολογικές μετρήσεις/ συσκευές (bioinstrumentation) Εμβιομηχανική -τεχνητά μέλη (biomechanics/prosthetics) Ιατρική απεικόνιση (medical imaging) Ιστοτεχνολογία-τεχνητά όργανα (cell/tissue engineering, artificial organs) Συστημική Βιολογία - Βιοπληροφορική (systems biology- Bioinformatics)

8 ραστηριοποίηση Μηχανικών Χημικός Μηχανικός Ιστομηχανική (Tissue Engineering) Βιοϋλικά (Biomaterials) Μηχανολόγος Μηχανικός Εμβιομηχανική (biomechanics/prosth etics) Μοντελοποίηση (Modelling-Systems Biology) ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗ Ανάλυση Εικόνας (Imaging) Βιοπληροφορική (Bioinformatics) Βιοϊατρικές Συσκευές (Bioinstrumentation) Ηλεκτρολόγος Μηχανικός

9 Ιστορική αναδρομή -1900: Χημική Μηχανική (πετροχημική βιομηχανία) -1940: Βιοχημική Μηχανική (αντιβιοτικά- πενικιλίνη) -1970: Βιοϊατρική Μηχανική (ιατρικά μηχανήματα, ακτινοβολία) -2000: Εκθετική ανάπτυξη της Βιοϊατρικής (Τεχνολογικές εξελίξεις στην γενετική/βιολογία)

10 91 αναγνωρισμένα προπτυχιακά προγράμματα σπουδών σε Βιοϊατρική Μηχανική στις Η.Π.Α. Σημαντική αύξηση των φοιτητών σε προπτυχιακά και μεταπτυχιακά προγράμματα. Παραδοσιακά προγράμματα Χημικής Μηχανικής δίνουν συνεχώς μεγαλύτερη έμφαση στον τομέα του Bioengineering.

11 UCLA, NYU, U. Illinois, NCSU, ND, UMD, OSU, Vanderbilt, UNL, UDel, Uconn, UTK, Conn, Clemson, Ohio, CMU, Case, Lehigh

12 Λόγοι ανάπτυξης της Βιοϊατρικής Μηχανικής στις Η.Π.Α. Χρηματοδοτήσεις από δημόσιους φορείς National Institutes of Health ($30B) NSF ($7B) Τεχνολογικά breakthroughs στον τομέα της γενετικής και της βιολογίας. Αύξηση του προσδόκιμου ζωής και γήρανση του πληθυσμού.

13 Παραδείγματα βιοϊατρικών εφαρμογών Google goes after cancer Google patents Smart Contact Lens that measures Glucose Lab-reveals-developing-nanoparticles-sniff-disease-early-stages.html

14 Η λειτουργία του κύτταρου [2.1; 2.2.1; 2.2.2; 2.2.5; ]

15 Προκαρυωτικά και Ευκαρυωτικά κύτταρα ύο πρωταρχικοί τύποι κυττάρων: Προκαρυωτικά (βακτήρια και αρχαιοβακτήρια) και Ευκαρυωτικά (φυτά, ζώα, μύκητες, άλγες)

16 Προκαρυωτικά και Ευκαρυωτικά κύτταρα

17 Προκαρυωτικά και Ευκαρυωτικά κύτταρα

18 Προκαρυωτικά Μονοκυτταρικοί οργανισμοί Χωρίς πυρήνα Χωρίς οργανίδια Ευκαρυωτικά Μονο- ή πολυ- κυτταρικοί οργανισμοί Πυρήνα Οργανίδια 1 κυκλικό μόριο DNA Χρωμοσώματα Χωρίς μετα-μεταγραρφική επεξεργασία (post-transcriptional modification) Μάτισμα (Exons/Introns splicing) Καλύπτρα Πολυαδενυλίωση

19 Γονιδίωμα (genome, an organism s complete set of DNA) ένα τυπικό βακτήριο έχει ένα μοριο DNA με μήκος 600,000 bp [συμπληρωματικά ζεύγη βάσεων (base pairs)[ 130 kbp - >14 Mbp] το ανθρώπινο ή το γονιδίωμα του ποντικιού ~3 billion bp. Homo Sapiens: 24 distinct chromosomes, 23Κ γονίδια. Yeast: ~6,000 γονίδια Βακτήριο E. coli: ~3,200 γονίδια

20 ΤΟ ΚΕΝΤΡΙΚΟ ΔΟΓΜΑ ΤΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ Κεντρικό δόγμα Βιολογίας DNA RNA πρωτεΐνες Παραλλαγές στο κεντρικό δόγμα: DNA RNA πρωτεΐνες Νουκλεϊκά οξέα πρωτεΐνες ύπαρξη ιών με γενετικό υλικό RNΑ που αυτοδιπλασιάζεται και ύπαρξη του ενζύμου αντίστροφη μεταγραφάση που χρησιμοποιεί ως καλούπι το RNA για να συνθέσει DNA;

21 Αντιγραφή διαιώνιση γενετικής πληροφορίας Μεταγραφή καθορίζει: ποια γονίδια θα εκφραστούν σε ποιους ιστούς σε ποιο στάδιο ανάπτυξης Μετάφραση: χρησιμοποιεί την πληροφορία σύνθεση πολυπεπτιδίου Δύο κατηγορίες γονιδίων 1. Γονίδια που μεταγράφονται σε mrna και μεταφράζονται σε πρωτεΐνες 2. Γονίδια που μεταγράφονται και παράγουν trna, rrna και snrna

22 ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΔΕΟΞΥΡΙΒΟΝΟΥΚΛΕΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ (DNA) PCR

23 ΠΑΚΕΤΑΡΙΣΜΑ ΤΟΥ DNA ΣΕ ΧΡΩΜΟΣΩΜΑΤΑ ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΧΡΩΜΑΤΙΝΗΣ ΚΑΡΥΟΤΥΠΟΣ

24 ΠΡΟΣΒΑΣΗ ΣΤΙΣ ΑΛΛΗΛΟΥΧΙΕΣ ΤΟΥ DNA ΣΤΑ ΧΡΩΜΟΣΩΜΑΤΑ μεταγραφή λιγότερο ενεργά γονίδια Ακετυλίωση Μεθυλίωση Ιστονών ρυθμίζουν την αναδίπλωση της χρωματίνης Χαλάρωση της δομής της χρωματίνης επιτρέπει σε γονίδια να εκφραστούν Συμπυκνωμένη χρωματίνη, δεν ευνοεί τη μεταγραφή

25 Το Γονίδιο Ρυθμιστική περιοχή: up to 50 kb upstream of +1 site Promoter, Operator/Enhancer Εξώνια (Exons): protein coding and untranslated regions (UTR) 1 to 178 exons per gene (mean 8.8) 8 bp to 17 kb per exon (mean 145 bp) Ιντρώνια (Introns): junk DNA average 1 kb 50 kb per intron Μήκος Γονιδίου: Largest 2.4 Mb (Dystrophin). Mean 27 kb.

26 Ρυθμιστική περιοχή Προκαρυωτικά: Υποκινητης (Promoter), Χειριστης (Operator) RNA πολυμεράση ; Καταστολέας (Repressor) Ευκαρυωτικά: Υποκινητης (Promoter), Ενισχυτής (Enhancer) RNA πολυμεράση II; µεταγραφικοί παράγοντες (Transcription Factors)

27 ΜΕΤΑΓΡΑΦΗ & ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ ΣΤΟ ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΟ ΚΥΤΤΑΡΟ

28 ΩΡΙΜΑΝΣΗ RNA ΜΟΝΟ ΣΤΟΥΣ ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΟΥΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥΣ

29 Πρόδρομο mrna περιέχει: Εσώνια: αλληλουχίες που δεν μεταφράζονται σε αμινοξέα Εξώνια: έχουν αλληλουχίες που μεταφράζονται και 5 & 3 μη μεταφραζόμενες περιοχές (UnTranslated Regions) Ωρίμανση Γίνεται στον πυρήνα Ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σύμπλοκα κόβουν τα εσώνια και ενώνουν τα εξώνια σχηματισμός ώριμου mrna που έχει τις 5 και 3 αμετάφραστες περιοχές

30 Σύνθεση πρωτεϊνών πρόσδεση ριβόσωματος, mrna κοδικώνια έναρξης και τερματισμού φορτισμένο t RNA μεταφέρει αμινοξέα [20 αμινοξέα (Σύντμηση με 1 ή 3 γράμματα)].

31 Μετα μεταφραστική διεργασία και μεταφορά

32 Μετα μεταφραστική επεξεργασία και μεταφορά πρωτεόλυση, γλυκοζυλίωση, φοσφωρυλίωση (ανώτερα ευκαρυωτικά) κατάλληλη δευτερογενής, τριτογενής κ τεταρτογενής δομή συμμεταφραστική, μετα μεταφραστική μεταφορά κυστίδια μεταφοράς για έκκριση η τοποθέτηση στην μεμβράνη