TBT 4170 🧬🧫🧪🌱- Bioteknologi

Bioteknologi

Metagenomikk

Metagenomikk innebærer studier av hele mikrobiologiske samfunn uten å måtte dyrke organismene i laboratoriet

Formål:
Identifisere mikroorganismer, virus og fritt DNA i naturlige miljøer.

Kartlegge biodiversitet og funksjonelle gener i et gitt miljø.

Teknikker for identifisering av celler

• Stabil isotop-merking - SIP (15N, 13C, 18O)

• BrdU inkorporering

• RNA-SIP (+ stabil isotop-merking = metabolsk aktive celler)

Screening

Prosedyren å isolere, oppdage, og separere mikroorganismer som vi er interessert i fra en blandet populasjon ved bruk av høy-selektivitets metoder.

Stabil isotop-merking - SIP (15N, 13C, 18O)

• For å finne mikroorganismer som kan metabolisere/vokse på et aktuelt

  substrat (DNA blir tyngre)

• Eks: 13C, 15N og 18O inkorporeres i DNA/RNA → tyngre molekyler som kan skilles ut via sentrifugering.

BrdU inkorporering

For å finne celler som vokser under gitte betingelser (DNA blir tyngre). Når man påviser BrdU i DNA, identifiserer man hvilke celler som har delt seg under eksperimentelle forhold, altså voksende mikroorganismer.

RNA-SIP

En metode der mikroorganismer inkorporerer stabile isotoper (f.eks. 13C) i RNA ved metabolsk aktivitet. RNA ekstraheres, separeres etter vekt, og sekvenseres.

– 16S rRNA fra bakterier eller 18S rRNA fra eukaryote celler

– Finnes i alle celler i stort antall (metabolsk aktive)

– Varierer fra ulike arter og store databaser gjør identifisering enkel

Bioprospektering

Systematisk leting etter

bestanddeler, bioaktive

forbindelser eller gener

i organismer, for

bærekraftig utnyttelse

Bioremediering

Bruk av levende organismer, slik som bakterier, for å fjerne forurensing.

Naturlig forekommende mikroorganismer har ofte egenskaper egnet for degradering av menneskeskapte forurensninger.

Bioremediering eksempler

Eks: Rhodococcus:

– Kan degradere korte- og langkjedete alkaner samt aromatiske komponenter

– Kan overleve i løsningsmidler som etanol, butanol, dodecane og toluen

• Eks: MTBE (metyl tert-butyl eter)

  • Komponent i bensin, karsinogen

  • Brytes ned i overgang mellom anaerob og aerob sone

  • Brytes ned av Methylibium petroleiphilum

Typer bioenergi

• Mikrobiell brenselcelle (MFC)

• Biotetanol

• Biodiesel

• Biogass

Mikrobiell brenselcelle (MFC)

• MFC er et bioelektrokjemisk system som konverterer kjemisk energi fra organiske forbindelser direkte til elektrisk energi gjennom mikrobielle metabolisme.

• Anaerobe bakterier (f.eks. Geobacter) overfører elektroner til en anode under nedbrytning av organiske forbindelser.

  Fordeler:

• Kan generere elektrisitet fra avløpsvann eller organisk avfall.

• Miljøvennlig og lavutslipps-teknologi.

Første generasjon biodrivstoff

Laget av råstoff som kunne bli brukt til matproduksjon (spiselig biomasse)
Eks, sukkerbete, sukkerrør, hvete, mais

Fordeler:

• Teknologien er godt utprøvd og billig.

• Kan distribueres og brukes i eksisterende infrastruktur (blandes med bensin/diesel).

Ulemper:

• Mat vs. drivstoff-problematikk – bruker spiselige råstoffer.

• Avskoging og tap av biodiversitet, spesielt ved palmeoljeproduksjon.

• Høyt karbonfotavtrykk ved arealendringer.

Andre generasjon biodrivstoff

Ikke spiselig biomasse

Planteavfall (kinagress, staudehirse), Jordbruksavfall (halm, maisstengler), Skogsavfall (flis, bark)

Tredje generasjon biodrivstoff

• Algebasert biomasse

• Mikro- og makroalger

• Trenger ingen dyrkbard jord, men er per nå ikke økonomisk bærekraftig

• Energikrevenede prosessering

Fjerde generasjon biodrivstoff

Bruker syntetisk biologi og genmodifisering for å lage organismer som:

• Bruker CO₂ direkte som karbonkilde

• Produserer biodrivstoff mer effektivt enn naturlige mikrober
  
  Potensielt karbon-negativt

Problemer med fjerde generasjons biodrivstoff

• Foreløpig på forskningsstadiet, lite kommersiell bruk.

• Krever avansert teknologi og biosikkerhetstiltak.

• Høye produksjonskostnader og regulatoriske utfordringer.

Bioetanol

Bioetanol produseres gjennom fermentering av sukkerholdige materialer til etanol.

Prosess:

• Biomasse → glukose (via hydrolyse av cellulose/stivelse)

• Glukose → pyruvat → etanol + CO₂ (anaerob gjæring)

Vanlige mikroorganismer: gjær, Zymomonas mobilis

Utfordring: Mange planter inneholder xylose (C5-sukker) → ikke naturlig brukt av gjærsopp.

Løsning via syntetisk biologi:

Genmodifisering: introdusere gener som xylA, xylB, tkl, tal → forbedrer xylosemetabolisme i Zymomonas.

Etanol produksjon - Glukose metabolisme

Hvorfor er enzymer viktige verktøy i degradering av biomasse?

Høyere nivåer av enzymer og mer stabile enzymer forbedrer nedbrytningen av stivelse til sukker.

Genmodifisering: inkluderer gener for stivelsesnedbrytning i gjær → kan både bryte ned og fermentere stivelse direkte

Hvilke gener er viktige for degradering av xylose?

xylA og xylB

Protein engineering

Proteiner er makromolekyler – store og komplekse.
Et protein syntetiseres direkte fra DNA via RNA → vanligvis ett gen = ett protein.

Fordeler:
- Målrettet forbedring av egenskaper
- Rask og spesifikk

Pathway engineering

Produserer metabolitter
Mange enzymer er involvert i den biosyntetiske pathwayen

Syntetisk energi

Designer nye biologiske pathwayer og systemer.
Kan dermed skape helt nye organismer, men er teknisk avansert og kan ha etiske utfordringer

Biodiesel

• Biodiesel består av FAME (Fatty Acid Methyl Esters) produsert fra planteolje eller animalsk fett.

• Produksjon skjer via transesterifisering av fettsyrer.

• Biodiesel reduserer utslipp av CO, partikler og SOx.

Hva er fordelen med å bruke E.Coli til produksjon av biodiesel

• Øker produksjonen av frie fettsyrer

• Konverterer frie fettsyrer til alkaner (som er overlegne til metyl estere som biodiesel)

Hva slags strategier er viktig for produksjon av biodrivstoff?

En ideell produsent av biodrivstoff bør gi høyt utbytte av drivstoff, men vokse på en billig og fornybar biomassekilde..."

A: Konstruer begge egenskapene inn i én og samme organisme

B: Bruk naturlige biodrivstoff-produserende organismer, og konstruer evnen til å bruke biomasse som vekstgrunnlag

C: Bruk organismer som naturlig kan vokse på fornybar biomasse, og konstruer biodrivstoff-produksjon inn i dem

D: Bruk autotrofe organismer som naturlig bruker CO₂ som karbonkilde, og konstruer inn metabolske pathwayer for biodrivstoff

Biogass

Metanogener kan konvertere organisk materiale til metan, som kan brukes som en energikilde i anareobe prosesser.

Metanogenese (3 faser)

• Hydrolytisk fase:

  • Anaerobe bakterier skiller ut enzymer som bryter ned komplekst organisk materiale (f.eks. fett, proteiner og karbohydrater) til enklere molekyler:

    • Sukker, fettsyrer, aminosyrer, glyserol

• Acidogen (syreproduserende) fase:

  • De enkle forbindelsene omdannes til:

    • H₂, CO₂, Eddiksyre, organiske syrer og alkoholer

• Metanogen fase:

  • Metanogener bruker to hovedveier:

    • CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O

    • CH₃COOH → CH₄ + CO₂

  • Resultatet er metan (CH₄), som er den energirike komponenten i biogass

Hva er fordelene med biogass?

Biogass kan produseres fra matavfall, husdyrgjødsel og industriavfall, og gir både energi og miljøfordeler (eks luktfritt, mindre støy fra motor, ingen giftgassutslipp, klimanøytralt)

Bioraffinering

Bioraffineri er en prosess hvor biomasse konverteres til en rekke produkter som bioenergi, mat, kjemikalier og materialer.

Tilsvarer et petrokjemisk raffineri, men med fornybare råstoffer.

Fordeler med bioraffinering

• Bioraffinering gjør det mulig å utnytte hele biomassen, og ikke bare deler av den

• Dette gir mindre avfall, og hvert restprodukt kan inngå i en annen verdikjede

• Kan produsere samtidig:

  • Bioenergi (bioetanol, biogass, biodiesel)

  • Mat og dyrefôr

  • Bioplast og biobaserte kjemikalier

Syntetisk biologi (plutselig spawna en fun fact-side)

Designerbakterier
– For å reparere betong
– For å oppdage og drepe sykdomsfremkallende mikroorganismer

Isdannende bakterier
– Fjerning av isdannende proteiner

Bioraffinering av fossile brensler
– Fjerning av svovel fra tiofener i kull og olje

Bioplast

– Produseres naturlig av bakterier eller genmodifiserte planter
– Er naturlig nedbrytbar

Hva er LUCA (Last Universal Common Ancestor)?

Felles forfedrecelle som alle celler nedstammer fra. Minste og første enhet for liv

Når dukket de første cellene opp på jorden?

Jorden er 4,6 milliarder år gammel, og de første cellene dukket opp mellom 3,8 og 3,9 milliarder år siden

Hvilke to overordnede typer celler har vi? Og hvilke typer celler hører til de to kategoriene?

De to overordnede typene celler er prokaryote og eukaryote. Prokaryote celler inkluderer bakterier og arkebakterier, mens eukaryote celler inkluderer plante-, dyre- og soppceller

Hva slags prosess er dette, og hva brukes den til?

Analysering av ribosomalt RNA (rRNA) som kan brukes til å finne ut hvordan organismer er i slekt med hverandre. Dette brukes til å lage fylogenetiske trær, altså slektstrær for livsformer.

Hva er definisjonen av fylogeni?

Studier av evolusjonære relasjoner mellom organismer. Fylo = stamme/klan, geni = opprinnelse/skapelse

Hva er et mikrobielt samfunn? Gi ett eksempel på et mikrobielt samfunn

Et mikrobielt samfunn er en gruppe ulike mikroorganismer som lever og samhandler i samme miljø.

Eksempler på mikrobielle samfunn:

• Tarmfloraen hos mennesker

• Bakterier i jord

• Mikroorganismer i innsjøer og hav

• Mikroliv i varmende kilder eller is

• Mikrober på planteblader eller røtter

Hva kontrollerer overflod og mangfold i et mikrobielt samfunn?

Ressurser (mat) og forhold (temperatur, pH, tilstedeværelse eller fravær av oksygen osv.)

Hvilke viktige mikrobielle økosystemer har vi?

– Akvatiske (hav, dammer, innsjøer, bekker,
is, varme kilder)

– Terrestriske (jordoverflate, dype undergrunnslag)

– Høyere organismer (i eller på planter og
dyr, f.eks. menneskets tarm)

Hvilke komponenter finnes i alle prokaryote celler? Beskriv kort funksjonene

Alle prokaryote celler har en cellemembran som kontrollerer stofftransport og energiproduksjon, cytoplasma som huser cellulære komponenter, ribosomer som driver proteinsyntese, og DNA som bærer genetisk informasjon

Hvilke komponenter finnes i nesten alle prokaryote celler? Beskriv kort funksjonene

De fleste prokaryote celler har en cellevegg som gir strukturell støtte og beskyttelse, flagella som gir cellen bevegelse, pili som brukes til kommunikasjon, og plasmid som er små DNA-fragmenter (ekstra DNA)

Hva er den største forskjellen mellom Gram-positive og Gram-negative bakterier, og hva er konsekvensen?

Gram-positive celler har et tykt lag av peptidoglykan, mens Gram-negative celler har et tynnere lag som gjør at den primære fargen, krystallfiolett, kan vaskes bort når etanol tilsettes

Hva er de vanligste formene (morfologiene) til prokaryote celler?

Kokker (sfæriske), staver (sylindriske) og spiriller (spiralformede)

Hva er 'kompartmentalisering' i eukaryote celler?

Membranbundne rom der spesifikke metabolske aktiviteter skjer

Hvilke komponenter finnes i alle eukaryote celler? Beskriv kort funksjonene

Cellemembran som kontrollerer stofftransport og energiproduksjon, cytoplasma som huser cellulære komponenter, ribosomer som driver proteinsyntese, cellekjerne som inneholder cellens DNA, mitokondrier som produserer energi, endoplasmatisk retikulum (ER) som transporterer og modifiserer molekyler, og golgiapparatet som bearbeider og pakker proteiner og lipider

Hvilke komponenter finnes i noen eukaryote celler? Beskriv kort funksjonene

Kloroplast som utfører fotosyntese og cellevegg som beskytter cellen mekanisk og kjemisk mot omgivelsene

Hvordan er cellemembranen organisert?

Hydrofobe fettsyrer peker innover og danner et hydrofobt miljø, mens hydrofile deler er eksponert mot utsiden eller cytoplasmaet

Hvilke innebygde proteiner finnes i cellemembranen, og hvilke funksjoner har proteinene?

Integrerte membranproteiner sitter godt festet i membranen, mens perifere membranproteiner har én del er forankret i membranen. De har viktige roller i transport, energiproduksjon, og cellekommunikasjon

Hva er steroler, og funksjonen deres i cellemembranen?

Rigide, flate lipider som finnes i eukaryote membraner; styrker og stabiliserer membranen

Hva er Mg²⁺ og Ca²⁺ sin funksjon i cellemembranen?

De bidrar til å stabilisere membranen ved å danne ionebindinger med negative ladninger på fosfolipidene

Hva er forskjellen mellom passiv og aktiv transport gjennom cellemembranen?

Passiv transport krever ikke energi (enkel diffusjon, fasilitert diffusjon og osmose), mens aktiv transport krever energi (transportproteiner og partikkeltransport)

Er det en fordel å være en liten eller stor celle, og hvorfor?

Det er fordel å være en liten celle fordi små celler har mer overflateareal i forhold til volum, noe som gir bedre næringsutveksling

Hvorfor er prokaryote celler mindre enn eukaryote?

Prokaryote celler er mindre fordi de er enklere bygd og har fordel av å være små for rask næringsopptak og vekst, takket være høy overflate-til-volum-ratio

Hva er de tre viktigste kjennetegnene til alle celler?

Metabolisme, vekst og evolusjon

Hvilke egenskaper gjelder bare noen celler?

Differensiering/spesialisering, kommunikasjon, utveksle arvemateriale og bevegelse

Hva er de genetiske funksjonene til cellen?

Replikasjon, transkripsjon og translasjon

Hva er de katalytiske funksjonene til cellen?

Energikonservering og metabolisme

Innen medisin, hva kan man bruke stamceller til?

Alt mulig rart

Man kan studere stamceller på ulike komplekitetsnivåer, hvilke?

• én enkelt stamcelle

• stamcelle populasjon

• komplekst vev

• organer

Cellelinjer og primærceller er to typer cellekultur som brukes i forskning. Hva er forskjellen mellom disse?

Cellelinjer: Er ofte kreftceller eller genmodifiserte celler. Er derfor lette å dyrke og mer homogene

Primærceller: Hentet direkte fra vev. Er derfor mer representativt for ekte vev, men er vanskelig å dyrke. Er og mer hetrogen.

Hvorfor er det fordelaktig å bruke stamceller til medisinsk bruk?

Billig, raskt, etisk gunstig i forhold til dyreforsøk

Gi et eksempel på en vanlig stamcelleterapi

Beinmargstransplantasjon

(Hematopoetisk stamcelletransplantasjon (HSCT) )

Hva får man fra beinmargstransplantasjon

Hematopoetiske stamceller som kan bli til røde blodlegemer, hvite blodlegemer og trombocytter (blodplater)

Hva kan man bruke beinmargstransplantasjon til?

• Blodkreft

• Andre blodsykdommer

Hva kan være problematisk med imunforsvaret i stamcelleterapi

“Transplantat-mot-vert-sykdom”

Transplantatet angriper vertsvevet eller motsatt. Kan føre til skade på viktige organer som lever eller lunger

Hva kan man gjøre for å minske komplikasjoner i stamcelleterapi?

• Matche donor

• Minimere andelen immunceller i transplantatet (f.eks. T-celler)

• Hemme eller dempe immunsystemets aktivitet

Forklar hvordan man kan behandle leddgikt med stamcelleterapi

Bruskvev regenereres dårlig, men man kan bruke multipotente stamceller som kan bli til kondrocytter. Disse er bruskdannende celler og inflammasjonsdempende.

Forklar hvordan man kan gjøre bruke stamceller til å reparere bruskvev.

Skraper av skadet vev. Blander donorceller med celler fra pasienten (gjerne fra det skadde vevet) og fibrinlim (for at cellene skal holde seg på plass og ikke flyte utover)

Hvorfor velger man å regenerere vev framfor andre behandlingsmetoder?

• Kroppen har allerede en viss evne til å reparere seg selv

• Mindre bivirkninger enn legemidler

• Mangel på organer for transplantasjon

Vi deler biomaterialer inn i tre generasjoner (grupper) hvilke?

1. Inert: Et ikke-levende (mekanisk) materiale som brukes i medisin, ment for å samhandle med biologiske systemer. Eks: protese

2. Bioaktiv: Et materiale som er ment å samvirke med biologiske systemer for å vurdere, behandle, forsterke eller erstatte ethvert vev, organ eller funksjon i kroppen. Eks: Sting som brytes ned

3. Bioreaktiv: Avansere biomaterialer som man skal kunne styre og få respons på. Eks: Vevsteknologi

Hva er noen egenskaper man må tenke på med biomaterialer?

Avhenger av bruksområdet, men eksempler er:

• Biokompatibelt (ikke giftig, irriterende, osv)

• Fysiske egenskaper (stivhet, overflate topografi, stabilitet)

• Produksjonsvennlig (formbart, injiserbart)

Hva menes med vevsteknologi?

Biomedisinsk ingeniørvitenskap som benytter en kombinasjon av celler, ingeniørteknikker, materialteknologi, og egnete biokjemiske og fysikalsk-kjemiske faktorer for å:

• Gjenopprette

• Opprettholde

• Forbedre eller

• Erstatte ulike typer biologisk vev

Hva er vevsteknologi triaden?

De tre tingene man må ha kontroll på når man lager vev:

• Celler

• Struktur

• Signaler

Hvordan påvirker stivheten til substratet til cellekulturen differensieringen til stamcellene?

Stivere substrat gjør at stamcellene differensierer til stivere celler

Nevroner (myk) → Muskler → Bein (stivt)

Selv om man matcher donorer kan imunforsvaret avvise transplanterte celler. Hva er noe man kan gjøre for å unngå dette?

Man kan lage en barriere rundt cellene som beskytter den fra imunforsvaret, men hvor viktige stoffer som cellen lager fortsatt kan trenge gjennom barrieren

Hva skjer når imunforsvaret avviser et transplantat?

Imunceller tiltrekkes implantatet og fagocyterende celler som makrofager prøver å bryte ned implantatet. Ofte er det for stort til å brytes ned, da kommer fibroblaster og danner en kolagenkapsel rund implantatet.

Hva er en klone?

En organisme eller celle, eventuelt en gruppe av organismer eller celler som er produsert ukjønnet fra én forfader eller stamme, som de er genetisk identisk med

Gi noen eksempler på kloning i naturen

Jordbær og potet

Hva er de to hovedkatogoriene av kloning?

Reproduktiv kloning: Målet er å lage et helt individ

Terapautisk kloning: Målet er et produkt, feks stamceller eller vev

Hvordan fungerer kloning i praksis?

SCNT (somatisk cellekjerne transplantasjon):

Trekker ut cellekjernen fra et egg, implanterer en cellekjerne i det denukulerte egget

Får man en genetisk identisk klone ved å bruke SCNT?

Nei, fordi man bytter cellekjerne, men mitokondrie-DNA kommer forsatt fra den opprinnelige eggcellen.

Hva kan gjøre at kloner er ulike?

Epigenetikk

Forklar noe av metoden som ble brukt for å klone sauen dolly?

Somatiske celler ble sultet for å unngå celledeling. Bruker disse og denukulert egg for å få utviklingen av et foster. Krever og elektroporering for å gjøre cellene mer permeable.

Hva er noen problemer ved kloning?

• Uvanlig fosterutvikling som ofte fører til syndromer

• Etisk uforsvarlig?

PRANK! Slapp av, vi skal ikke kunne denne

Metabolisme

Kroppens forbrenning av næringsstoffer for å sikre energitilførsel og stoffer som er nødvendige for at kroppen skal fungere

Katabolisme

Første av to delen av metabolisme der større molekyler blir brutt ned til mindre molekyler og energi frigjøres.

Anabolisme

Andre del av metabolismen der energi blir brukt til å lage større komponenter i cellen, som proteiner og nukleinsyrer.

Chemoorganotrophs

Får energien gjennom oksidasjon av ORGANISKE molekyler

Chemolithotrophs

Får energien gjennom oksidasjon av UORGANISKE molekyler. (litho → stein)

Fototrof

Har pigmenter som gjør at lys blir energikilden. (klorofyll omdanner energien i lyset til kjemisk energi). FOTOSYNTESE

Autotrof

Får karbonkilden sin kun fra CO2

Heterotrof

Får karbonkilden sin fra organiske forbindelser, ofte gjennom konsum av andre organismer.

Hva står ATP for

Adenosin trifosfat

Energifrigjøring:

ATP→ADP→AMP→Ade

ATP→ADP: 31 kJ/mol

ADP→AMP: 31 kJ/mol

AMP→Ade: 14 kJ/mol

ATP-molekylet

Blå: adeningruppe

Grønn: ribose

(blå+grønn: adenosin)

Fosfatgrupper

Termodynamikkens lover (for levende organismer)

Levende organismer kan ikke skape energi fra ingenting.

Levende organismer kan ikke tilintetgjøre energi.

Levende organismer kan transformere energi fra en form til en annen.

Fri energi, hvilken retning går reaksjonen spontant?

Negativ gibbs fri energi→Spontan.

Avhenger av konsentrasjonene til stoffene i reaksjonen.