Biotechnologia pozyskiwania ywno ci pochodzenia ro linnego

1
Biotechnologia pozyskiwania zywnosci pochodzenia
roslinnego i zwierzecego
2

• Prace wspólczesnych biotechnologów zmierzaja do
  genetycznego ulepszania znanych roslin, jak
  równiez do poszukiwania nowych i wartosciowych
  gatunków (zwlaszcza tropikalnych), które moglyby
  po adaptacji wzbogacic grupe roslin uprawnych.
• Do waznych zadan biotechnologii zalicza sie
  zwiekszenie i polepszenie tradycyjnej produkcji
  roslinnej. Dlatego dazy sie do zwiekszenia
  wydajnosci plonowania, m.in. Przez
• zwiekszenie odpornosci roslin uprawnych na
  chemiczne srodki ochrony
• niesprzyjajace warunki, np. zasolenie gleb,
  susze, krancowe pH gleby
• -zwiekszenie odpornosci roslin na nie
  fizjologiczne warunki srodowiska
  (mrozoodpornosci, tolerancji na obecnosc w glebie
  niektórych kationów i anionów wystepujacych w
  duzych stezeniach)
• -uodporniania roslin na szkodniki, choroby i
  herbicydy
• -zwiekszenie zawartosci aminokwasów niezbednych w
  podstawowych frakcjach bialek zbóz oraz roslin
  straczkowych (modyfikacji endogennych genów
  strukturalnych w kierunku wprowadzenia
  dodatkowych kodonów bioracych udzial w
  biosyntezie metioniny lub lizyny)
• -wprowadzenie do genomu rosliny genów kodujacych
  biosynteze bialek o korzystniejszej wartosci
  biologicznej i lepszych wlasciwosciach
  funkcjonalnych, a nawet leczniczych
• -zmniejszenie kosztów i energochlonnosci
  produkcji rolnej przez zwiekszenie wydajnosci
  fotosyntezy
• -zmniejszenie zaleznosci plonowania od nawozenia
  chemicznego przez zwiekszenie biologicznego
  wiazania azotu i jednoczesne ograniczenie strat
  azotu w procesach nitryfikacji i denitryfikacji,

3
Prace aplikacyjne zwiazane z biotechnologia
zwierzat sa jednak mniej zaawansowane niz
dotyczace produkcji roslinnej. 1.Na podkreslenie
zasluguje postep w biotechnologii rozrodu
zwierzat. Wyraza sie on np. zwiekszeniem
produkcji mleka lub zwiekszeniem
wydajnosci rozrodczej samic, glównie bydla.
Opanowano metody wywolywania mnogiej owulacji i
przenoszenia zarodków. Do waznych kierunków
biotechnologii rozrodu zalicza sie reprodukcje
metodami pozaplodowymi oraz wytwarzanie zwierzat
transgenicznych. Zapladnianie pozaustrojowe,
polaczone z regulacja plci, oraz klonowanie
zarodków zwiekszaja mozliwosci replikacji
zwierzat transgenicznych. 2.Duze nadzieje
biotechnologów wiaza sie z uzyskiwaniem zwierzat
transgenicznych, a wiec takich, których genotyp
bedzie uformowany nie metodami selekcji, lecz
przez wprowadzenie do niego z zewnatrz struktury
genetycznej, która zadecyduje o ekspresji
okreslonej cechy uzytkowej. Zastosowanie
transgenezy u ssaków umozliwia np. doskonalenie
skladu mleka. Króliki i bydlo transgeniczne moga
byc specyficznymi bioreaktorami do produkcji
mleka o skladzie modyfikowanym na potrzeby
zywienia diabetyków.
4
3.Oddzialywanie wspólczesnej biotechnologii w
produkcji zwierzecej polega równiez na
biosyntezie róznego rodzaju szczepionek przeciwko
powszechnie wystepujacym chorobom zwierzat, np.
kokcydiozie drobiu. Dzieki dokonaniom
biotechnologii mozna uodporniac zwierzeta na
takie choroby jak pryszczyca lub grypa jeszcze
przed urodzeniem, tj. w fazie rozwoju
embrionalnego. 4.Do waznych gospodarczo
kierunków oddzialywania biotechnologii w
produkcji zwierzecej nalezy zaliczyc stosowanie
hormonów wzrostu, doskonalenie produkcji pasz
oraz ich zastosowanie przez modyfikacje skladu
mikroflory przewodu pokarmowego.
5
Kierunki (obszary) prac biotechnologii w
produkcji roslinnej 1.Rosliny jako
bioreaktory 2.Rosliny transgeniczne 3.Modyfikacja
technologicznych cech roslin 4.Doskonalenie
kultury uprawy i produkcji biomasy
roslin a)intensyfikacja fotosyntezy b)biologiczn
e wiazanie azotu atmosferycznego c)hodowle
tkankowe i komórkowe d)hodowla komórek
roslinnych w bioreaktorze
6
ROSLINY JAKO BIOREAKTORY Biomasa roslin, jako
efekt tzw. produkcji pierwotnej, jest jedynym
zródlem pozywienia dla zwierzat, tworzacych
produkcje wtórna, oraz dla czlowieka. Oblicza
sie, ze obecnie w wyniku fotosyntezy powstaje w
skali globalnej tylko ok. 12500 t glukozy/s,
czyli 400109 t rocznie. Stanowi to zaledwie
0,25 idealnego maksimum fotosyntezy. Zwiekszenie
produktywnosci roslin, przez zwiekszenie stopnia
wykorzystania energii slonecznej do biosyntezy
skladników biomasy roslin, jest waznym
zadaniem biologów. Korzysci wynikajace z
biologicznych procesów jednostkowych,
przebiegajacych w komórkach i tkankach roslin
zielonych, sa czesto niedoceniane. Rosliny to
niezwykle bioreaktory, w których przy
wspóludziale energii promieniowania slonecznego z
ditlenku wegla i wody jest przeprowadzana
biosynteza heksoz, z których nastepnie, w wyniku
biokonwersji, powstaja polisacharydy, Bialika.
lipidy, sterydy i witaminy. Natezenie fotosyntezy
jest glównie uwarunkowane genetycznie. Zalezy
takze od zmieniajacych sie czynników
zewnetrznych, np. temperatury, natezenia
swiatla, zawartosci skladników mineralnych w
glebie, wilgotnosci, a takze stezenia CO2 w
atmosferze. Czynniki te maja rózne wartosci na
róznych szerokosciach geograficznych i zmieniaja
sie w sposób regularny (cykle dobowe i roczne)
lub nieregulamy.
7
Do bardzo produktywnych naleza rosliny typu C-4,
np. trzcina cukrowa, kukurydza, sorgo, proso,
które asymiluja COz z natezeniem ok. 60 mg
CO2/(dm2. h), wykazujac przy tym male
fotooddychanie. Wiekszosc znanych roslin
uprawnych to rosliny typu C-3, u których
natezenie fotosyntezy nie przekracza 30 mg
CO2/(dm2. h) i wystepuje duze fotooddychanie. Rózn
ice miedzy roslinami typu C-3 i C-4 wyrazaja sie
jakoscia bezposrednich produktów wiazania COz
oraz produktywnoscia biomasy. U roslin typu C-3
pierwotnymi produktami wiazania COz sa zwiazki
trójweglowe, np. kwas fosfoglicerynowy, aldehyd
fosfoglicerynowy, a u roslin typu C-4 sa to
zwiazki czteroweglowe, np. szczawiooctan,
jablczan, asparaginian. Roczna produktywnosc
roslin typu C-3 wynosi 10-30 t/ha, a roslin typu
C-4 60-80 t/ha. Wiekszosc znanych roslin typu C-4
nie ma powszechnego znaczenia gospodarczego, gdyz
sa one uprawiane glównie w strefie tropikalnej.
Prace nad polepszeniem produktywnosci roslin
dotycza przede wszystkim roslin typu C-3.
Najczesciej nowe odmiany uzyskuje sie przez
hybrydyzacje miedzygatunkowa. Do najbardziej
wartosciowych skladników biomasy roslin zalicza
sie Bialika. Dlatego hodowców interesuje
uzyskanie nie tylko odmian, które wytwarzalyby
znaczne ilosci biomasy w jednostce czasu, ale
jednoczesnie mialyby zwiekszona zawartosc bialek
lub lipidów.
8

• Duze znaczenie w doskonaleniu skladu oraz
  wlasciwosci roslin przypisuje sie genetyce tzw.
  mendlowskiej. W tej dziedzinie wyróznia sie
  nastepujace kierunki
• genetyke komórek somatycznych, która ma prowadzic
  do pokonania bariery
• niekrzyzowalnosci warunkiem praktycznego
  upowszechnienia tego kierunku
• prac genetyków jest opanowanie metod regeneracji
  dojrzalych roslin z polaczonych komórek rosliny o
  utrwalonych cechach hybrydowych
• transplantacje organelli komórkowych (jadra,
  chloroplasty, mitochondria)
• z komórek rosliny-dawcy do komórek
  rosliny-biorcy w tym celu stosuje sie
• otoczki lipidowe (liposomy), aby w ten sposób
  przeniesc ww. organelle w postaci
• nieuszkodzonej
• transformacje komórek roslinnych, przy uzyciu
  materialu genetycznego
• obcego pochodzenia, przez bezposrednia
  mikroiniekcje DNA do jader komórkowych lub za
  posrednictwem wektorów plazmidowych (plazmidy T1,
  R1
• z Agrobacterium tumefaciens, Agrobacterium
  rhizogenes) lub wirusowych
• (DNA wirusa mozaiki kalafiora). Stosujac te
  metode, wprowadza sie do roslin
• obce geny i uzyskuje sie ich ekspresje, a to daje
  mozliwosci "konstruowania"
• roslin uprawnych o pozadanych cechach.

9
Skutecznosc transformacji jest pochodna
nastepujacych czynników -czestosci integracji
transgenu do genomu biorcy -rozdzielczosci
metody selekcji, czyli mozliwosci odrózniania
komórek lub innych obiektów, które ulegly
transformacji od odpowiednich obiektów
znanych -mozliwosci zastosowania u dowolnego
gatunku lub odmiany. Za niezwykle trudne do
transformacji sa uwazane rosliny jednoliscienne.
Pokonano te trudnosci, stosujac metode
biolistyczna, polegajaca na mikrowstrzeliwaniu
DNA do komórek i tkanek.
10
Dobre efekty otrzymuje sie, stosujac - jako
wektor - Agrobacterium tumefaciens. Skutecznej
transformacji dokonano u ryzu, pszenicy,
kukurydzy, manioku, asparagusa. Konstruowanie
roslin transgenicznych z udzialem wektorów
Agrobacterium tumefaciens przebiega w czterech
etapach -wprowadzenie obcych genów do szczepu
bakterii -kokultywacja bakterii z komórkami lub
tkankami roslinnymi -eliminacja bakterii,
selekcja tkanek nietransformowanych, regeneracja
struktur stransformowanych -analiza i
weryfikacja ekspresji genów w roslinach
stransformowanych. Warunkiem decydujacym o
uzytecznosci i wiekszym zastosowaniu metod
inzynierii genetycznej do ulepszenia roslin
uprawnych jest trwale utrzymywanie sie
wprowadzonego genu w kolejnych generacjach.
11
Wiele bakterii bytujacych w glebie powoduje
detoksykacje (rozklad) herbicydów. Niektóre
bakterie wytwarzaja zwiazki toksyczne dla wielu
szkodników roslin. Jesli beda opanowane metody
trwalego wprowadzania do roslin genów kodujacych
odpowiednie enzymy czy toksyny ochronne, mozna
bedzie im nadac ceche wlasciwej odpornosci.
Przykladem moze byc udzielony USA patent na
odmiane kukurydzy, która jest wyposazona w gen
warunkujacy odpornosc na herbicydy zawierajace
imidazol Znacznie trudniejsze jest opanowanie
metod manipulowania zespolami wielogenowymi u
roslin. W tym zakresie rozwaza sie genetyczne
doskonalenie wlasciwosci technologicznych zbóz
(wypiek chleba, fermentacje alkoholowa) przez
modyfikacje skladu oraz wlasciwosci bialek i
zapasowych cukrów ziarniaków. Bialka zapasowe
zbóz sa kodowane przez zespoly wielogenowe, np.
zeine kukurydzy koduje ok. 150 blisko ze soba
spokrewnionych genów, i dlatego modyfikacja
pojedynczego genu moglaby tylko w niewielkim
stopniu doprowadzic do zamierzonego polepszenia
skladu zbóz. Jednym z waznych ograniczen
praktycznego zastosowania efektów genetycznego
doskonalenia komórek roslinnych jest koniecznosc
sprawdzenia, czy zmiany uzyskane na poziomie
komórek nie wplywaja ujemnie na takie cechy, jak
plennosc, zdolnosci produkcyjne itp.
12
Modyfikacja technologicznych cech
roslin Doskonalenie skladu chemicznego i
wlasciwosci uzytkowych roslin jest przedmiotem
badan genetyków od dawna. Przykladem efektów tych
prac sa wyhodowane w Polsce, z udzialem technik
genetyki mendlowskiej, odmiany rzepaku
"dwuzerowego". Nasiona tych odmian nie zawieraja
zwiazków wolotwórczych, a w skladzie frakcji
olejowej nie wystepuje kwas erukowy. Innym
przykladem jest wyhodowanie pszenzyta, zboza o
dobrej plennosci w polskich warunkach
klimatycznych oraz duzej przydatnosci
technologicznej. Postep w biologii molekularnej
oraz opanowanie technik inzynierii
genetycznej zwiekszylo mozliwosci polepszenia
skladu chemicznego oraz wlasciwosci
roslin stosowanych w technologii zywnosci.
Pierwsze rosliny transgeniczne pojawily sie w
doswiadczalnych uprawach polowych w 1986 r. W
1994 r., w USA, pomidory transgeniczne uzyskaly
formalna akceptacje prawna i konsumencka.
13
(No Transcript)
14

• Obecnie istnieje sporo przykladów wyhodowania
  roslin transgenicznych, których nowe wlasciwosci
  wychodza naprzeciw zainteresowaniom technologów
  zywnosci.
• Przykladem sa ziemniaki transgeniczne
• uzyskano zwiekszenie zawartosci skrobi w bulwach
• odmiany transgeniczne, u których wystepuje
  wylacznie amylopektyna sa surowcem bardziej
  przydatnym w technologii krochmalu
• 3.wazna cecha technologiczna ziemniaków
  transgenicznych jest mala zawartosc sacharydów
  redukujacych oraz zwiekszony poziom
  cyklodekstryn.
• 4.odmiany ziemniaków transgenicznych o wiekszej
  zawartosci skrobi sa technologicznie i
  ekonomicznie bardziej atrakcyjne w przerobie
  przemyslowym.
• 5.wiadomo, ze w czasie zbioru i transportu bulwy
  ziemniaczane sa narazone na uszkodzenia
  mechaniczne, gdzie miazsz ciemnieje wskutek
  aktywnosci oksydazy polifenolowej. Zmniejsza to
  atrakcyjnosc surowca, powoduje znaczne ubytki
  przy obieraniu i zwieksza straty w czasie
  przechowywania. Wyhodowano odmiany u których
  zmniejszono aktywnosc tego enzymu
• 6.W bulwach ziemniaków wystepuja takze alkaloidy.
  Czesto w czasie przechowywania ziemniaków
  zawartosc alkaloidów zwieksza sie, co pogarsza
  smak bulw. Ich zawartosc mozna radykalnie
  zmniejszyc metodami inzynierii genetycznej.
• 7. otrzymano odmiany ziemniaków transgenicznych
  odporne na stonke. Ziemniaki transgeniczne
  zawieraja gen wyizolowany z naturalnie
  wystepujacej w glebie bakterii Bacillus
  thuringensis. Efektem dzialania tego genu jest
  wytwarzanie przez rosline bialka uodporniajacego
  ziemniaki na dzialanie stonki ziemniaczanej.

15
Innym przykladem dokonan inzynierii genetycznej,
o duzym znaczeniu praktycznym, sa odmiany
pomidorów transgenicznych 1.uzyskano odmiany
pomidorów odpornych na choroby grzybicze,
bakteryjne, wirusowe. Stosujac technike
transformacji, otrzymano pomidory o zwiekszonej
odpornosci na infekcje Fusarium oxysporum lub na
chorobe pomidora powodowana przez Pseudomonas
syringae pr. tomato. 2.dzieki transformacji genów
mozna otrzymac pomidory charakteryzujace sie
tolerancja na herbicydy, np. glufosiat (Basta) i
glifosat (Roundup). Tolerancje na herbicyd Basta
otrzymano, wprowadzajac do genomu pomidora
gen kodujacy acetylotransferaze fosinotricyny.
Wprowadzenie genu kodujacego synteze
5-endopirogrono-szikimo-3-fosforanu umozliwilo
otrzymanie pomidorów tolerancyjnych na
glifosat. 3.W doskonaleniu cech pomidorów
zwrócono uwage na metabolizm sciany komórkowej, w
którym duze znaczenie ma poligalakturonaza,
wplywajaca na tempo dojrzewania owoców pomidora.
Powoduje ona miekniecie owoców na skutek
czesciowej depolimeryzacji frakcji pektyn sciany
komórkowej. Doskonalenie genomu pomidora polega
na otrzymaniu owoców charakteryzujacych sie
brakiem aktywnosci poligalakturonazy. Owoce
pomidorów transgenicznych, modyfikowanych w ten
sposób, nie miekna podczas dojrzewania, sa
odporne na marszczenie i pekanie podczas tzw.
przejrzewania, maja takze lepsze wlasciwosci
przetwórcze, otrzymuje sie z nich wiecej
koncentratu. 4.znane sa równiez odmiany pomidorów
transgenicznych, u których czesciowo zahamowano
aktywnosc esteraz pektynowych. Owoce tych
pomidorów maja wieksza zawartosc suchej
substancji.
16
Obok regulacji syntezy substancji zapasowych
celem modyfikacji genetycznych jest ulepszanie
cech organoleptycznych i wartosci zywieniowej
roslin, np. modyfikowanie skladu aminokwasowego
bialek roslinnych, ilosci i jakosci kwasów
tluszczowych woleju rzepakowym lub biosyntezy
karotenoidów. Wiekszosc wlasciwosci roslin mozna
szybko zmienic stosownie do wymagan technologii
ich przetwarzania. W przyszlosci mozna oczekiwac
bardziej kompleksowych zmian wlasciwosci w
kierunku laczenia cech technologicznych,
zywieniowych i leczniczych. Przykladem moga byc
wyniki badan potwierdzajacych mozliwosci
otrzymania roslin transgenicznych zawierajacych
antygeny ludzkiego wirusa zapalenia watroby typu
B.
17
Doskonalenie kultury uprawy i produkcji biomasy
roslin Prace biotechnologów zmierzaja do
polepszenia produktywnosci biomasy, odpornosci na
herbicydy, odpornosci na choroby i szkodniki.
Interesujace sa prace zmierzajace do
intensyfikacji fotosyntezy oraz wiazania azotu
atmosferycznego przez rosliny niemotylkowe. Intens
yfikacja fotosyntezy Prace nad mechanizmem
fotosyntezy i racjonalnym zastosowaniem energii
slonecznej sa zaliczane do najwazniejszych
kierunków badawczych sprzyjajacych zwiekszeniu
plonów. Dotycza one nastepujacych
zagadnien -genetycznego doskonalenia enzymów,
które powoduja asymilacje CO2 oraz bialek
chloroplastowych,w celu zarówno zwiekszenia ich
poziomu w komórce, jak i genetycznej modyfikacji
aktywnosci biologicznej bialek, -ograniczenia
strat energii w procesach fotooddychania oraz
przyswajania CO2 przez modulacje mechanizmów na
poziomie molekularnym oraz adaptacje struktur
membranowych komórek, -lepszego poznania
mechanizmów regulujacych wzrost i starzenie,
sterowanych przez regulatory wzrostu -optymalizac
je rozprowadzania produktów asymilacji -wprowadze
nia odmian roslin uprawnych, których budowa oraz
wlasciwosci fizjologicznie sprzyjalyby
wykorzystaniu energii slonecznej.
18
Biologiczne wiazanie azotu atmosferycznego Wiadomo
ze biologiczne wiazanie azotu rosliny jest
mozliwe dzieki ich symbiozie z bakteriami z
rodzaju Rhizobium. Wspólczesna biotechnologia
zmierza do zwiekszenia zdolnosci asymilacji azotu
atmosferycznego przez rosliny, takie jak
pszenica, kukurydza itp. Poznano juz mechanizm
wiazania azotu atmosferycznego przez
mikroorganizmy (glównie bakterie), które dzieki
obecnosci enzymu nitrogenazy redukuja azot
atmosferyczny do amoniaku. Nitrogenaza jest
bialkiem odznaczajacym sie niezwykle zlozona
budowa, o wyjatkowej wrazliwosci na obecnosc
tlenu. Znany jest zespól genów okreslany nazwa
"nif" (ang. nitrogen fixation), który mozna
przenosic z jednego gatunku mikroorganizmów na
drugi, np. z Klebsiella pneumoniae do E. coli.
Wiadomo równiez, ze "nif" sklada sie z ok. 20
róznych genów ulozonych w 7-8 jednostek
transkrypcyjnych. W tych brodawkach znajduja sie
bakterie. Komórki brodawek wytwarzaja
leghemoglobine - bialko, które latwo laczy sie z
tlenem i skutecznie chroni przed nim
nitrogenaze. Wiekszosc badan prowadzonych w tym
zakresie zmierza do -opanowania procesu symbiozy
organizmów asymilujacych azot z atmosfery
we wspólzyciu z roslinami, nie tylko
motylkowymi -zwiekszenia intensywnosci
asymilacji azotu przez oddzialywanie na
genetyczne mechanizmy regulacyjne -utworzenia
nowych systemów asymilacji azotu przez
konstrukcje somatycznych mieszanców komórek
pochodzacych z fuzji komórek wybranej odmiany
uprawnej i komórek roslin przyswajajacych azot
lub tez przez przeniesienie zespolu genów "nif"
do nowych symbiotycznych albo tez wolno zyjacych
mikroorganizmów. Bardziej realne jest tworzenie
nowych odmian mikroorganizmów zyjacych w
symbiozie z roslinami uprawnymi, przede wszystkim
zbozami.
19
Hodowle tkankowe i komórkowe Poznano budowe
tkanek merystema tycznych, czyli zespolu komórek
znajdujacych sie w tzw. stozku wzrostu, od
którego rozpoczyna sie wzrost i rozmnazanie
organów calej rosliny. Stwierdzono równiez, ze
jest mozliwe wydzielenie niewielkiej grupy
komórek z tej tkanki, które mozna nastepnie
hodowac in vitro, i otrzymanie ta metoda nowej
rosliny. Hodowla tkanki merystematycznej z
jednego krzaka maliny umozliwia uzyskanie 50000
jednostek potomnych metoda rozmnazania in vitro.
W hodowli tkankowej roslin korzysta sie z ich
zdolnosci wytwarzania swej calkowitej reprodukcji
- kopii z malego kawalka liscia lub
pedu Regeneracja roslin in vitro odbywa sie
zazwyczaj metoda somatycznej embriogenezy lub
organogenezy. Somatyczna embriogeneza jest
procesem, w wyniku którego komórki diploidalne i
haploidalne moga podlegac róznicowaniu oraz
tworzyc zarodki z pominieciem zaplodnienia i
wytwarzania zygoty. W kulturach in vitro
somatyczne zarodki, zwane tez zarodkami
dodatkowymi (ang. accessory embryos),
przybyszowymi (ang. adventive embryos) lub
embrioidami (ang. embryoids), moga powstawac z
komórek kalusa, zawiesiny czy tkanek
eksplantatu. Somatyczna embriogeneza, oprócz
mozliwosci szybkiego rozmnazania
roslin, umozliwia takze otrzymywanie roslin
jednolitych genetycznie, a w konsekwencji morfolog
icznie, a ponadto jest tania w porównaniu z
metodami tradycyjnymi. W rozmnazaniu wegetatywnym
stosuje sie regeneracje roslin z
pojedynczych komórek. W tym celu doprowadza sie
najpierw do usuniecia sciany komórkowej i
otrzymania protoplastów, które umieszczone w
roztworze o okreslonym skladzie chemicznym i
cisnieniu osmotycznym tworza kalusy. Z kalusa,
modyfikujac warunki srodowiskowe, regeneruje sie
dojrzala rosline genetycznie identyczna z ta, z
której pobrano protoplasty.
20
Technike te zastosowano z powodzeniem w
pozyskiwaniu oraz hodowli nowych odmian
ziemniaków. Okazalo sie, ze pod wzgledem
genetycznym nie sa one identyczne ani ze soba,
ani tez z roslina macierzysta, wskutek róznic
genetycznych miedzy poszczególnymi komórkami
somatycznymi. Nowe odmiany ziemniaków
przewyzszaja odmiane wyjsciowa wieloma cechami
waznymi w produkcji, np. odpornoscia na choroby,
szkodniki. Technike prowadzenia kultur tkankowych
wykorzystuje sie w pracach nad pozyskiwaniem
nowych odmian zbóz, np. kukurydzy, której bialko
bedzie bogatsze w lizyne. Zastosowanie hodowli
tkanek i komórek w celu poszukiwania linii zbóz o
pozadanych wlasciwosciach jest znacznie tansze
niz osiagniecia tego samego celu konwencjonalnymi
metodami selekcji. Jednakze wystepowanie
pozadanej cechy w komórkach nie zawsze daje
gwarancje, ze ta cecha wystapi w calej
roslinie. Wykorzystujac mutacje zachodzace w
kulturach komórkowych, pozyskano wiele cennych
odmian zbóz haploidalnych, diploidalnych lub o
zwiekszonej liczbie chromosomów. Z komórek
haploidalnych wyhodowano linie zbóz o korzystnych
cechach uzytkowych, np. odmiany jeczmienia,
pszenzyta oraz ryzu. Stwarzajac specjalne warunki
hodowli, otrzymano równiez rosliny odporne na
niekorzystne warunki srodowiskowe, np. ryz
odporny na duze zasolenie gleb oraz pszenice
odporna na niskie temperatury. Hodowle tkankowe
zastosowano z powodzeniem w produkcji waznych
skladników zywnosci, np. barwników i komponentów
aromatotwórczych.
21
Hodowla komórek roslinnych w bioreaktorze Komórki
roslinne wyrózniaja sie bardzo duzym
wspólczynnikiem konwersji zródla wegla i energii
w mase komórkowa, mieszczacym sie w granicach
0,65-0,85. Rozwój komórek roslinnych w hodowli
wglebnej w bioreaktorze przypomina dynamike
procesów mikrobiologicznych. Przyrost liczby
komórek i biomasy ma charakter wykladniczy (w
tzw. fazie logarytmicznej) lub liniowy. Zawartosc
metabolitów wtórnych w biomasie (w suchej
substancji) wynosi od kilku do kilkunastu
procent, czasami nawet 20. Na przyklad w hodowli
Coleus blumei uzyskano 25 (5,5 g/dm3) kwasu
rozmarynowego, a w hodowli Lithospermum erythrorhi
zon otrzymano 23 (6,4 g/dm3) szikoniny.
Wielkosci te ustepuja wydajnosci
mikrobiologicznej biosyntezy metabolitów, ale sa
podstawa do dalszych prac nad doskonaleniem
warunków hodowli roslinnej biomasy w
bioreaktorach. Jedna z mozliwosci w tym zakresie
jest hodowla immobilizowanych komórek roslinnych.
W bioreaktorze z komórkami immobilizowanymi jest
mozliwe uzyskanie znacznie wiekszego ich
zageszczenia, anizeli w zawiesinie, co zwieksza
ich produktywnosc w porównaniu z komórkami
"wolnymi". Perspektywy hodowli roslin w
bioreaktorach sa zwiazane z produkcja szikoniny,
glikozydów nasercowych digitalis, alkaloidów
opium, alkaloidów (atharanthus), olejków
zapachowych oraz roslinnych prekursorów leków
steroidowych.
22
Surowce zwierzece W produkcji zywca rzeznego,
glównie trzody chlewnej, zwraca sie uwage
na konstruowanie nowych linii genetycznych.
Zwierzeta doskonalone genetycznie bardzo dobrze
wykorzystuja skladniki pasz. Stosujac
perfekcyjnie zbilansowane diety mozna w krótkim
okresie tuczu (kilka miesiecy) wyhodowac
tuczniki, które maja pozadana miesnosc i sa malo
otluszczone. Celem doskonalenia zwierzat rzeznych
jest polepszenie jakosci miesa kulinarnego,
przede wszystkim wolowego, wieprzowego,
drobiowego, co moze polepszyc jego konsumpcje w
postaci nieprzetworzonej. W zakresie produkcji
drobiarskiej dominuje hodowla kurczat Do waznych
sektorów produkcji zwierzecej zalicza sie
jajczarstwo. Dokonania w zakresie zmian zywienia
kur oraz ich doskonalenie genetyczne umozliwia
uzyskanie szerokiego asortymentu jaj, o skladzie
wzbogaconym lub modyfikowanym, waznym ze
wzgledów zywieniowych. Do nich naleza np. jaja o
zóltku wzbogaconym w wielonienasycone kwasy
tluszczowe, witaminy A, D, E, K o zmniejszonej
zawartosci cholesterolu itp. Do grupy surowców
zwierzecych zalicza sie takze ryby oraz inne
organizmy wodne. Znane sa wyniki prac
biotechnologów nad skutecznym zastosowaniem metod
inzynierii genetycznej w hodowli ryb. Perspektywy
produkcji mleka i jego przetworów sa zwiazane z
koncentracja i specjalizacja produkcji
zwierzecej, zmniejszeniem kosztów pozyskiwania
mleka. W tym zakresie wazne jest takze
doskonalenie genetyczne bydla, polepszenie
mlecznosci krów oraz jakosci mleka.
23
Zwierzeta transgeniczne Od kilkunastu lat sa
prowadzone badania nad zastosowaniem transgenezy
w doskonaleniu zwierzat gospodarskich Dotychczasow
y postep w zakresie uzyskiwania zwierzat
transgenicznych pozwala z umiarkowanym optymizmem
patrzec na rozwiazanie takich problemów, jak
uzyskanie zwierzat o udoskonalonych cechach
produkcyjnych. Najwazniejsze z nich to
korzystniejsze tempo wzrostu i wieksza produkcja
miesa oraz zwiekszona wydajnosc mleczna i
polepszona jakosc mleka. Znanymi kierunkami
transgenezy zwierzat sa doskonalenie
biokonwersji skladników pasz, ulepszanie zestawu
enzymów trawiennych, polepszenie naturalnej
odpornosci na choroby. W odniesieniu do zwierzat
gospodarskich najwieksze zainteresowanie jest
skierowane na transgeneze swin i bydla. Wiekszosc
manipulacji genetycznych, prowadzonych na genomie
swin, zmierza do otrzymania zwierzat z
podwyzszonym poziomem hormonu wzrostu, uzyskania
wiekszych przyrostów masy ciala, lepszego
wykorzystania paszy lub redukcji tluszczu. Spore
zainteresowanie budzi modyfikacja genetyczna Swin
majaca na celu zwiekszenie ich odpornosci na
choroby Interesujacym kierunkiem badan nad
wyhodowaniem zwierzat transgenicznych jest
uzyskanie swin jako dawców serca dla ludzi. W
transgenezie bydla mlecznego szczególna uwage
zwraca sie na doskonalenie skladu mleka.
24
Ssaki transgeniczne, a scislej ich gruczol
mleczny, mozna uznac jako swoista, naturalna
fabryke bialek, które sa syntetyzowane w duzych
ilosciach i wydzielane na zewnatrz. W ten sposób
mozna pozyskiwac bialka bez koniecznosci
zabijania zwierzat. Transgeniczny gruczol mleczny
jest miejscem syntezy i modyfikacji bialek o
aktywnosci biologicznej. W gruczole mlecznym
zwierzat transgenicznych sa produkowane aktywne
biologicznie bialka ludzkie, np. czynnik
krzepliwosci IX lub antytrombina. Produkcje
ludzkich bialek mozna prowadzic takze w krwi
zwierzat. Uzyskano np. swinie transgeniczne
wytwarzajace w komórkach krwi ok. 9 ludzkiej
hemoglobiny, o zdolnosci wiazania
tlenu identycznej ze zdolnoscia hemoglobiny krwi
czlowieka. Bioreaktorem moze takze byc pecherz
moczowy zwierzat transgenicznych. Uznajac
zwierzeta transgeniczne jako potencjalne
bioreaktory, w których prowadzi sie produkcje
skladników aktywnych biologicznie, nalezy
uwzglednic równiez wielkosc zwierzat. Male
zwierzeta, np. króliki transgeniczne, moglyby byc
oplacalnymi producentami farmaceutyków, jednak
produkcja bialek aktywnych biologicznie w
gruczole mlecznym krowy, owcy lub kozy dalaby
lepsze rezultaty, poniewaz objetosc mleka
wytwarzanego przez te zwierzeta jest
nieporównywalnie wieksza. Króliki maja jednak te
zalete, ze ich mleko zawiera 3-krotnie wiecej
bialka niz mleko krowie, a latwosc uzyskania,
hodowli i rozmnazania królików czyni je aktywnym
bioreaktorem zwierzecym.
25
(No Transcript)
26
(No Transcript)
27
(No Transcript)
28
(No Transcript)
29
(No Transcript)
30
(No Transcript)
31
(No Transcript)
32
(No Transcript)
33
(No Transcript)
34
(No Transcript)
35
(No Transcript)
36
(No Transcript)
37
Zwierzeta transgeniczne jako "zywe bioreaktory" Z
badan nad transgeneza gruczolu mlecznego wynika,
ze jest mozliwa modyfikacja skladu mleka krów,
owiec, kóz. Modyfikacji skladu mleka mozna
dokonac, wprowadzajac nowe lub doskonalac
istniejace geny bialek mleka. Zmiana skladu
bialek mleka moze zwiekszyc wartosc odzywcza
mleka lub polepszyc jego wlasciwosci jako surowca
do przetwórstwa. Projektuje sie "humanizacje"
mleka krowiego przez zastapienie, przynajmniej
czesciowe, bialek krowich bialkami ludzkimi.
Uwaza sie, ze mleko krowie wzbogacone w ludzkie
bialka bedzie lepszym produktem odzywczym dla
dzieci. Planuje sie wzbogacenie mleka krowiego w
bialka o dzialaniu przeciwbakteryjnym i obronnym,
w celu ochrony krów przed zapaleniem wymienia
(mastitis) i ochrony cielat przed zakazeniami
bakteryjnymi. Bedzie mozna takze zmniejszyc
zawartosc tluszczu w mleku przez unieczynnienie
genu któregos z enzymów uczestniczacych w
biosyntezie lipidów, a takze zwiekszyc udzial
kwasów tluszczowych nienasyconych, zdrowszych dla
konsumenta. Zmniejszenie produkcji tluszczu przez
laktujace krowy mogloby dodatkowo przyniesc
korzysci ekonomiczne. Synteza tluszczów jest
bardzo kosztowna energetycznie. Szacuje sie, ze
zmniejszenie stezenia tluszczu w mleku krowim z
3,8 do 2, zmniejszyloby o 22 wydatki na
pasze potrzebna do wytwarzania mleka.