KÖRNYEZETVÉDELMI BIOTECHNOLÓGIA
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 37

KÖRNYEZETVÉDELMI BIOTECHNOLÓGIA PowerPoint PPT Presentation


  • 73 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

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,

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.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


K rnyezetv delmi biotechnol gia

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


K rnyezetv delmi biotechnol gia

  • 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


K rnyezetv delmi biotechnol gia

  • 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


  • K rnyezetv delmi biotechnol gia

    • 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


  • K rnyezetv delmi biotechnol gia

    XENOS = IDEGENSZINTETIKUS = NEM TERMÉSZETES EREDETŰ

    Példák: peszticidek, herbicidek, oldószerek, egyes szerves vegyületek

    Lebontásukra megoldás: - fizikai

    - kémiaimódszerek

    - 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


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    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


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    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


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    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


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    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


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    A biodegradációs eljárásokban legismertebb,

    leggyakrabban előforduló mikroorganizmusok

    Pseudomonasok

    Sphingomonasok

    Rhodococcusok

    Bacillusok

    Sugárgombák

    A (szubsztituált) aromás szerves oldószerek lebontására

    az oxigenáz, dehalogenáz enzimek alkalmasak


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    LEBONTÁSI ÚTVONAL LEHET AEROB, ANAEROB

    aerob: mono- és dioxigenázok

    anaerob: reduktív dehalogenáció, oxidált vegyületek: szulfát, nitrát


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    Aerob vs. anaerob metabolizmus


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    Aanerob metabolizmus benzoil-CoA-n keresztül


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    Benzoil-CoA konverziója acetil-CoA-vá


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    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)


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    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


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    Mono- és dioxigenáz családok I.


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    Mono- és dioxigenáz családok II.


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    Mono- és dioxigenáz családok III.


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    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


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    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


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    Aromás gyűrűt oxidáló hydroxilázok


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    Hydroxilázok szerepe a bioorganikus kémiában

    Sphingomonas yanoikuyae

    biphenil dioxigenáz

    sztereoszelektív szintézisek

    például még a morfin,

    vagy a vanília szintézisében is


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    Hidroxilázok szerepe a biodegradációban


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    Hidroxilázok szerepe a klórozott vegyületek biodegradációjában


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    Az aromás diolok eddig ismert lebontási útvonalai


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    A gyűrűhasítás mechanizmusa

    intradiol

    extradiol


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    Szubsztituált (klórozott) szénhidrogénekre módosított ortho útvonal


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    Szubsztrátspecificitás

    Nem adaptált sejtek (periférikus útvonal)

    Adaptált sejtek (periférikus útvonal)


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    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


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    Szubsztrátspecificitás bővítése

    a sejtek adaptációja, hosszú idő (6 – 8 hónap)

    irányított evolúció

    az útvonalak kombinálása egyesével, vagy...


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    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


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    Operon struktúrák

    benzoesav bontás

    bifenil bontás

    módosított orto útvonal


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    Szabályozás

    a transzkripciós faktor szubsztrátspecificitása


    K rnyezetv delmi biotechnol gia

    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


  • Login