Biotechnologia enzymatyczna 0501-BTEbiot-1-S2
Treści merytoryczne przedmiotu obejmują::
* Definicje biotechnologii i jej związek z innymi dyscyplinami nauki
Zarys historii rozwoju biotechnologii enzymatycznej
* Enzymy jako biokatalizatory. Przypomnienie podstaw kinetyki
reakcji enzymatycznych
* Dziedziny zastosowań preparatów enzymatycznych, aspekty
ekonomiczne
* Zasady bezpiecznej pracy z preparatami enzymatycznymi,
regulacje prawne
* Kryteria wyboru materiału do izolacji określonego enzymu.
Metody oczyszczania i stabilizacji enzymów izolowanych z
naturalnych źródeł. Enzymy rekombinowane uzyskiwane w
wybranych systemach ekspresyjnych : pro – i eukariotycznych.
* Immobilizowanie enzymów na nierozpuszczalnych nośnikach.
Koimmobilizacja enzymów i komórek mikroorganizmów.
* Analityczne zastosowanie immobilizowanych enzymów :
enzymatyczne testy jakościowe, sensory enzymatyczne (czujniki
potencjometryczne i amperometryczne), ilościowe oznaczanie
metabolitów, chipy enzymatyczne
* Wykorzystanie enzymów w bioprocesach. Budowa różnych
typów reaktorów enzymatycznych. Immobilizowane enzymy w
przemyśle spożywczym: produkcja aminokwasów, syropów
glukozowych/fruktozowych i skrobiowych, klarowanie
soków, degradacja celulozy, biopaliwa. Enzymy w przetwórstwie
mięsnym.
* Enzymy w syntezach chemicznych - syntezy stereoselektywne,
produkcja półsyntetycznych związków (leków) chiralnych:
L-DOPA, propranololu, ibuprofenu i pochodnych,
produkcja antybiotyków (ampicylin i cefalosporyn),transformacje
steroidów.
Produkcja akrylamidu, degradacja cyjanków.
* Biosyntezy w rozpuszczalnikach organicznych i układach dwu-
fazowych – syntezy estrów
* Współczesne trendy w technologiach enzymatycznych - postęp
w technologiach enzymów rekombinowanych, enzymy
„modularne”, synzymy, katalityczne przeciwciała ( „abzymy”).
Program laboratorium
Celem laboratorium jest praktyczne zapoznanie studentów z technologiami wykorzystującymi enzymy. Pracownia prowadzona jest w systemie 4 godziny co drugi tydzień. Program obejmuje podane niżej zadania; do wykonania w ciągu semestru przewidzianych jest siedem ( 7 ) zadań spośród podanych:
* Metody ilościowego oznaczania stężenia glukozy (chemiczna z
DNS i enzymatyczna oksydazą glukozową i peroksydazą )
odpowiednio do oznaczania aktywności inwertazy oraz
laktazy (beta-galaktozydazy).
Zastosowanie handlowego preparatu laktazy (Lactozym 2000,
Novozymes) do otrzymywania mleka bezlaktozowego
* Otrzymywanie preparatu inwertazy z drożdży, charakterystyka
enzymu, wyznaczanie stałej Michaelisa (Km) i energii aktywacji (Ea)
* Immobilizacja inwertazy w żelu poliakrylamidowym- model
membrany enzymatycznej. Kinetyka reakcji immobilizowanego
enzymu
* Kowalencyjne immobilizowanie laktazy (Lactozym 2000 ) na
perełkach chitozanu, przebieg hydrolizy laktozy w mleku przez
immobilizowany enzym
* Immobilizowanie komórek drożdży poprzez pułapkowanie w
perełkach alginianu wapnia, kinetyka hydrolizy sacharozy :
zależność od czasu inkubacji i ilości perełek
* Model przepływowego reaktora enzymatycznego ze złożem
fluidalnym - hydroliza sacharozy przez immobilizowane komórki
drożdży i/lub hydroliza laktozy w mleku UHT przez
immobilizowaną laktazę (Lactozym 2000). Wyznaczanie zależności
stopnia hydrolizy substratów od szybkości przepływu (czasu
przebywania)
* Enzymatyczna synteza L-DOPA przy zastosowaniu tyrozynazy z
pieczarki dwuzarodnikowej (Agaricus bisporus).
* Enzymy/białka rekombinowane. Transformacja komórek
bakteryjnych wektorem pGLO z genem gfp , ekspresja tego
genu pod kontrolą operonu arabinozowego i oczyszczanie
rekombinowanego białka GFP (jako białka modelowego) metoda
chromatografii hydrofobowej
* Oczyszczanie rekombinowanego fuzyjnego białka 6xHis – GFP
metodą chromatografii chelatującej (IMAC) na złożach
IDA-Sepharose i Talon
* Podsumowanie ćwiczeń, uzupełnienie zaległości, końcowa
ocena.
Rodzaj przedmiotu
Efekty kształcenia
Student kończący zajęcia z przedmiotu „Biotechnologia enzymatyczna“ osiąga następujące efekty uczenia się:
* w zakresie wiedzy
Student posiada dobrą znajomość podstawowych procesów biochemicznych / metabolicznych które są wykorzystywane w bioprocesach prowadzonych z wykorzystaniem enzymów
Student dysponuje ugruntowaną wiedzą dotyczącą enzymów – zna ich zalety ale też ograniczenia możliwości ich stosowania w bioprocesach
Student zna podstawowe zasady oraz wybrane metody oznaczania aktywności enzymatycznej , posiada również znajomość metod oznaczania zawartości białka i ma świadomość ich ograniczeń. Student dysponuje wiedzą dotyczącą metod frakcjonowania i oczyszczania białek/enzymów, zna mechanizmy leżące u podstaw każdej z tych metod.
* w zakresie umiejętności
student potrafi przeanalizować planowany bioproces i dokonać wyboru określonego enzymu / enzymów niezbędnych do jego przeprowadzenia. Jeśli potrzebny enzym(y) nie jest dostępny komercyjnie, student potrafi, w oparciu o poszukiwania literaturowe, znależć korzystne źródło tego enzymu i metody jego oczyszczania. Potrafi, w oparciu o właściwości fizykochemiczne enzymu, zaprojektować optymalną strategię jego oczyszczania i stabilizacji; potrafi również wybrać , jeśli jest to konieczne, odpowiednią metodę immobilizacji enzymu. Student potrafi przeprowadzić prostą analizę kosztów celem podjęcia decyzji - co sposobu prowadzenia bioprocesu : okresowego lub ciągłego i w związku z tym co do postaci zastosowanego enzymu
(rozpuszczalny, sieciowany, immobilizowany na nośniku) . Potrafi także zaproponować metodę oczyszczania końcowego produktu reakcji.
Student umie także ocenić potencjalną praktyczną przydatność enzymu nad którym prowadzi badania teoretyczne i możliwości patentowe.
* w zakresie kompetencji społecznych
Student potrafi podać przykłady powszechnego wykorzystania enzymów w życiu codziennym, m.in. w proszkach do prania, w artykułach spożywczych, w kosmetykach i przedstawić korzyści z tym związane .
Student potrafi w kompetentny sposób przedstawić i uzasadnić zalety bioprocesów enzymatycznych takich, jak - wysoka specyficzność działania enzymów i związany z tym brak (lub ograniczona ilość) odpadów do utylizacji, niska energochłonność a tym samym niższe koszty produkcji w porównaniu z procesami chemicznymi, duże bezpieczeństwo bioprocesów enzymatycznych - brak zagrożeń dla ludzi i środowiska.
Student potrafi wykazać rosnący udział biotechnologii enzymatycznych w rozwoju syntez chemoenzymatycznych, w tym nowych technologii produkcji leków chiralnych i biofarmaceutyków oraz związany z tym rosnący udział tych biotechnologii w produkcie globalnym brutto.
Kryteria oceniania
Wykład: egzamin pisemny (10 pytań obejmujących całość
zagadnień poruszanych na wykładzie, w tym zadanie
rachunkowe)
Ocena końcowa: 80% egzamin + 20% ocena z ćwiczeń
Laboratorium : obecność i przygotowanie do każdego z ćwiczeń,
3 pisemne sprawdziany w semestrze, obejmujące
poszczególne działy pracowni, opracowanie w formie raportu
i zaliczenie każdego ćwiczenia, pod uwagę brana będzie także
aktywność na pracowni
Literatura
Literatura:
1. J.Fiedurek (red.) – Podstawy wybranych procesów
biotechnologicznych Wyd. UMCS 2004
2. W.Bednarski , J. Fiedurek Podstawy biotechnologii przemysłowej
WNT Warszawa 2007
3. A.Chmiel - Biotechnologia – PWN 1994 (i późniejsze wydania)
4. C.Ratledge, B.Kristiansen (red.) – Podstawy biotechnologii, PWN
2011
5. I.W.Berezin i wsp., Immobilizowane enzymy (Biotechnologia
T.VII, wyd.UAM, 1992)
6. J.Woodward (red.)– Immobilised cells and enzymes, a practical
approach. IRL Press, Oxford,Washington 1985
7. W.Hartmeier – Immobilised biocatalysts – an introduction
Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, London,
Paris, Tokyo 1988
8. A.Wiseman (red.)– Handbook of enzyme biotechnology Ellis
Horwood Ltd.Publishers Chichester, New York, Ontario,
Brisbane 1985
9. H.Bisswanger – Practical enzymology Wiley-VCH Weinheim,
2004
10. M.Chaplin, Ch. Bucke - Enzyme technology
Cambridge University Press 1990
http://www.lsbu.ac.uk/biology/enztech/index.html
11. K.Buchholz, V.Kasche, V.T.Bornscheuer – Introduction to
enzyme technolog w: Biocatalysts and enzyme
technology, Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2005
http://www.wiley-vch.de/books/sample/3527304975_c01.pdf
Dostępny jest legalny podgląd następujących pozycji:
(Pełny tekst)
12. J.Polaina, A.P.MacCabe (red.) – Industrial enzymes. Structure,
function and applications. Springer 2007 Dordrecht
www.docstoc.com/docs/33814692/INDUSTRIAL-ENZYME
13. W.Aehle (red.) – Enzymes in industry. Production and application
Wiley – VCH 2007, Weinheim
http://docstoc.com/docs/33814327/Enzymes-in-industry
( Pominięte niektóre strony )
14. F.Franks (red.) – Protein biotechnology : isolation,
characterization and stabilization
http://books.google.pl (wpisać tytuł)
15. G.Walsh –Proteins. Biochemistry and biotechnology, Wiley
2002
http://books.google.pl (wpisać tytuł)
oraz literatura na płycie CD (prace przeglądowe) poszerzająca zagadnienia poruszane na wykładzie,dostarczona przez prowadzącego
wykład
Więcej informacji
Dodatkowe informacje (np. o kalendarzu rejestracji, prowadzących zajęcia, lokalizacji i terminach zajęć) mogą być dostępne w serwisie USOSweb: