1 / 37

KÖRNYEZETVÉDELMI BIOTECHNOLÓGIA

KÖRNYEZETVÉDELMI BIOTECHNOLÓGIA. BIODEGRADÁCIÓ, BIOREMEDIÁCIÓ. A környezet alkotó elemei egymással szoros összefüggésben léteznek, az egyes elemekre h ató ártalmak a környezet egészére kihatnak. Ha a fennálló egyensúlyt megbontjuk,

meryl
Download Presentation

KÖRNYEZETVÉDELMI BIOTECHNOLÓGIA

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. KÖRNYEZETVÉDELMI BIOTECHNOLÓGIA BIODEGRADÁCIÓ, BIOREMEDIÁCIÓ A környezet alkotó elemei egymással szoros összefüggésben léteznek,az egyes elemekrehatóártalmak a környezet egészére kihatnak.Ha a fennálló egyensúlyt megbontjuk, beláthatalan környezetvédelmi problémákkal találhatjuk szembe magunkat. Fejlődő ipar felhalmozódó hulladék veszélyes anyagok A Föld mikroflórájának válasza az újonnan megjelenő anyagokra adaptáció

  2. Alapfogalmak • biotechnológia “biotechnologie - (EREKY Károly, 1917) all work by which products areproduced from raw materials with the help of living organisms” [Ereky] • alkalmazott mikrobiológia - biokonverzió, biotranszformáció különböző (toxikus) vegyületek mikrobiális átalakítása - biodegradáció nemkívánatos, környezetrekárosanyagok lebontásamikrobiális úton - bioremediáció (= tisztítás) a környezetmegtisztításaa toxikus hulladékoktól mikrobiális módszerekkel • környezetvédelem - megelőzés - tervszerű környezetfejlesztés - környezetünk megóvása, védelme

  3. A biotechnológiai eljárások szempontjából legfontosabb enzimek • oxidázok, hidroxilázok, dehydrogenázok • reduktázok, hydrogenázok • hidrolázok • izomerázok • proteázok, lipázok • A biotechnológiában fontos mikroorganizmus csoportok • Metanogének • Metilotrófok • Clostridiumok • Tejsav baktériumok • Bacillusok • Pseudomonasok • Fotoszintetizáló baktériumok, algák • Streptomycesek • Élesztők • Fonalas gombák

  4. Pseudomonasok: • aerob • heterotróf, Gram negatívok • exopoliszaharidok • biodegradáció • Fotoszint. baktériumok, algák: • aerob vagy anaerob • biopolimerek • Fotoszintézis, CO2 fixálás • Streptomycesek: • aerob, spórázó szervezetek • antibiotikum termelők • extracelluláris enzimek • Élesztők: • alkoholgyártás • pékélesztő • Fonalas gombák: • heterotróf eukaryota • szaprofita vagy parazita • jellegzetes sejtfal • spóraképzők • antibiotikumok • biokonverzió • Metanogének: • archea • obligát vagy strict anaerobok • biogáz • Metilotrófok: • aerobok • C1-C3 szénforrások hasznosítása • pl. Metanotrófok metán oxidáció • Clostridiumok: • obligát anaerobok • Gram pozitívok • hőstabil endospóra • rendkívül sokféle reakcióra képesek • Tejsav baktériumok: • anaerobok • Gram pozitívok • élelemiszeripar • Bacillusok: • aerobok • endospóra • extracelluláris enzimek

  5. XENOS = IDEGEN SZINTETIKUS = NEM TERMÉSZETES EREDETŰ Példák: peszticidek, herbicidek, oldószerek, egyes szerves vegyületek Lebontásukra megoldás: - fizikai - kémiai módszerek - biológiai Az 1960-as évek elején felfedezték, hogy számos talajlakó mikroorganizmus képes a xenobiotikumok bontására Egyféle szennyezés ritkán fordul elő, ált. vegyes hulladék sokféle enzim, mikroorg. szükséges Legproblémásabb vegyületek az aromás, valamint halogén elem tartalmú vegyületek

  6. Szerves oldószer hatása az organizmusra egyik fő támadáspont a membrán ahogy az oldószer akkumulálódik a membránban sérülnek annak funkciói: 1, aspecifikus permeabilizáció E. coli : fenol jelenlétében ATP és K+ szabadul ki a sejtekből toluol hatására RNS, foszfolipid és fehérje szivárgás 2, H+ és más ionok passzív áramlása membránon keresztül  sérül az ATP szintézis 3, membránban lévő fehérjék funkciója is sérül 4, megváltozik, nő a membrán fluiditása  változik a membrán struktúrája, stabilitása és membránon belüli kölcsönhatások membránfelszín hidrációs tulajdonságai változnak membrán vastagság változik membrán felszín növekedés

  7. Adaptációs mechanizmusok védekezési mechanizmusok törzsről törzsre változnak I. Citoplazma és külső membrán adaptáció: mind lipid mind fehérje szinten cél: szolvens által megzavart membrán fluiditásának, stabilitásának újrateremtése I/1. zsírsav összetétel - megváltozik telített és telítetlen zsírsavak aránya alkohol és aceton növeli telítetlen zsírsavak arányát a membránban apoláris oldószerek pl. benzol csökkenti szaturáció változás  fluiditás változás  szolvens hatását kompenzálja "homoviszkózus adaptáció" - membránban telítetlen zsírsavak cis  trans izomerizációja  emeli a membrán rendezettségét és csökkenti a fluiditást

  8. I/2. változik lipidek fejcsoportjainak összetétele P. putida: difoszfatidil-glicerol (kardiolipin) aránya nő P. putida Idaho: foszfatidiletanolamin nő I/3. foszfolipid szintézis fokozódik I/4. változik fehérje összetétel I/5. lipopoliszacharid összetétel változás külső membránban magának lipopoliszacharidoknak és lipoproteineknek is nő a mennyisége LPS hidrofóbicitás csökkentő hatása van I/6. külső membrán porinjai P. putida OmpL mutáns: hiperszenzitív szolvensekre P. aeruginosa OmpF hiány növeli a toleranciát I/7. zsíroldékony vegyületek Zymomonas mobilis: etanol jelenlétében hopanoidok mennyisége nő Staphylococcus aureus: olajsav jelenlétében karotenoid szintézis nő

  9. II. sejtfelszín hidrofóbicitás csökkenése növeli a szolvens toleranciát P. putida toluol adaptáció után sejtek felszíne kevésbé hidrofób (sok fehérje és LPS) III. ionok stabilizáló szerepe Mg2+, Ca2+ stabilizálják Gr(-)-ok külső membránját pl.: Pseudomonas sp. - toluol IV. Szerves oldószerek degradációja vagy kevésbé toxikus formává való transzformációja V. Aktív exkréció a sejtből Biotechnológiai potenciál bioremediáció új, szerves oldószerekben stabil proteázok, lipázok egyéb enzimek

  10. A biodegradációs eljárásokban legismertebb, leggyakrabban előforduló mikroorganizmusok Pseudomonasok Sphingomonasok Rhodococcusok Bacillusok Sugárgombák A (szubsztituált) aromás szerves oldószerek lebontására az oxigenáz, dehalogenáz enzimek alkalmasak

  11. LEBONTÁSI ÚTVONAL LEHET AEROB, ANAEROB aerob: mono- és dioxigenázok anaerob: reduktív dehalogenáció, oxidált vegyületek: szulfát, nitrát

  12. Aerob vs. anaerob metabolizmus

  13. Aanerob metabolizmus benzoil-CoA-n keresztül

  14. Benzoil-CoA konverziója acetil-CoA-vá

  15. Monooxigenázok (hidroxilázok) Monooxigenázok: az O2 molekula egyik atomját építik be a célmolekulába SH2 + O2= SO + H2O (internal monooxigenáz, a szubsztrátról jön az elektron) S + O2+ H2X = SO(H) + OH-_ + X (external monooxigenáz) • Példák: • p-hydroxybenzoát hydroxiláz család • phenol 2-hidroxiláz • alkil csoport hidroxiláz (metán monooxigenáz) • kámfor 5 monooxigenáz (Citokróm P-450 család)

  16. O H O H H O H O NADH+H + NAD X X O H 4-X-katekolát C O O H proximal-extradiol cleaving/ C H O 2,3-dioxygenases R O H O H C O O H C O O H + O intradiol cleaving/ 3,4-dioxygenases 2 R R C O O H O H C H O distal-extradiol cleaving/ 4,5-dioxygenases R Dioxigenázok, hidroxilázok Aromás gyűrű hidroxilázok + Y Sztereospecifikus hidroxilálás enzimatikus szintézisek O 2 X hidroxiláz 4-X-dihidroxihexadién Aromás gyűrűt hasító dioxigenázok

  17. Mono- és dioxigenáz családok I.

  18. Mono- és dioxigenáz családok II.

  19. Mono- és dioxigenáz családok III.

  20. METANOTRÓFOK: MMO=metán monooxigenáz Két fajta enzim: membrán kötött (pMMO, Cu+), citoplazmatikus szolubilis (sMMO, Cu-) pMMO sMMO A metán oxidációja mellett NADH oxidáció (regenerálni kell) sMMO: széles szubsztráspecificitás több száz szerves vegyület oxidációja  bioremediáció CH4 O2 O2 Xred NADH+H+ Xox NAD+ H2O H2O CH3OH további alkalmazás: metanolgyártás

  21. O H O H H O H O NADH+H + NAD X X O H 4-X-katekolát C O O H proximal-extradiol cleaving/ C H O 2,3-dioxygenases R O H O H C O O H C O O H + O intradiol cleaving/ 3,4-dioxygenases 2 R R C O O H O H C H O distal-extradiol cleaving/ 4,5-dioxygenases R Dioxigenázok, hidroxilázok Aromás gyűrű hidroxilázok + Y Sztereospecifikus hidroxilálás enzimatikus szintézisek O 2 X hidroxiláz 4-X-dihidroxihexadién Aromás gyűrűt hasító dioxigenázok

  22. Aromás gyűrűt oxidáló hydroxilázok

  23. Hydroxilázok szerepe a bioorganikus kémiában Sphingomonas yanoikuyae biphenil dioxigenáz sztereoszelektív szintézisek például még a morfin, vagy a vanília szintézisében is

  24. Hidroxilázok szerepe a biodegradációban

  25. Hidroxilázok szerepe a klórozott vegyületek biodegradációjában

  26. Az aromás diolok eddig ismert lebontási útvonalai

  27. A gyűrűhasítás mechanizmusa intradiol extradiol

  28. Szubsztituált (klórozott) szénhidrogénekre módosított ortho útvonal

  29. Szubsztrátspecificitás Nem adaptált sejtek (periférikus útvonal) Adaptált sejtek (periférikus útvonal)

  30. Szubsztrátspecificitás II. Centrális útvonal, specializálódott sejtek ezt az adott útvonal minden enzimjére meg kellene vizsgálni az útvonal mentén a specificitás változik az enzimek specfificitását bővíteni kell

  31. Szubsztrátspecificitás bővítése a sejtek adaptációja, hosszú idő (6 – 8 hónap) irányított evolúció az útvonalak kombinálása egyesével, vagy...

  32. Plasmid Size (kb) Conjugative Incompatibility group Substrate Host Reference Peripheral pathways   TOL 117 + P-9 Xylenes, toluene, toluate Pseudomonas putida   NAH7 83 + P-9 Naphthalene via salicylate Pseudomonas putida   pWW60-1 87 + P-9 Naphthalene via salicylate Pseudomonas sp.   pDTG1 83 + P-9 Naphthalene via salicylate Pseudomonas putida   SAL1 85 + P-9 Salicylate Pseudomonas putida   pKF1 82 ND Biphenyl via benzoate Acinetobacter sp. (reclassified 9   as Rhodococcus globerulus) 9, 100100, 101101, 102102, 172172   pWW100   200 ND Biphenyl via benzoate Pseudomonas sp.   methylbiphenyls via toluates   pWW110 >200 ND ND Biphenyl via benzoate Pseudomonas sp.   methylbiphenyls via toluates 9 9, 3737, 101101, 139139, 180180, 181181   pCITI 100 ND ND Aniline Pseudomonas sp.   pEB 253 ND ND Ethylbenzene Pseudomonas fluorescens   pRE4 105 ND ND Isopropylbenzene Pseudomonas putida   pWW174 200 + ND Benzene Acinetobacter calcoaceticus 17   pHMT112 112 ND ND Benzene Pseudomonas putida 17   pEST1005 44 ND ND Phenol Pseudomonas putida   pVI150 mega + P-2 Phenol, cresols, Pseudomonas sp.   3,4-Dimethylphenol Central pathways 145   pAC25 117 + P-9 3-Chlorobenzoate Pseudomonas putida 145   pJP4 77 + P-1 3-Chlorobenzoate, 2,4-D Ralstonia eutropha (formerly Alcaligenes eutrophus)   pBR60 85 + ND 3-Chlorobenzoate Alcaligenes sp.   pRC10 45 ND ND 2,4-D Flavobacterium sp. 9 9, 2222, 101101, 180180, 181181   pP51 100 ND 1,2,4-Trichlorobenzene Pseudomonas sp.   pMAB1 90 ND ND 2,4-D Burkholderia (formerly Pseudomonas cepacia aND, not determined; 2,4-D, 2,4-dichlorophenoxyacetate. 5 5, 5353 105 105 18 18 2 2 12 12 38 38, 3939 175 175 157 157 94 94 8 8, 146146 26 26 33 33 179 179 28 28 165 165 14 14 A gének sokszor (mega)plazmidon vannak

  33. Operon struktúrák benzoesav bontás bifenil bontás módosított orto útvonal

  34. Szabályozás a transzkripciós faktor szubsztrátspecificitása

  35. Metabolikus útvonalak kombinálása keresztezéssel 2. plazmid 3. plazmid 4. plazmid 1. plazmid konjug. konjug. A törzs B törzs C törzs D törzs Plazmidrekombináció konjugáció F törzs E törzs Strain G Problémák azért még vannak

More Related