מבוא לביוטכנולוגיה
Download
Report
Transcript מבוא לביוטכנולוגיה
מבוא לביוטכנולוגיה
שיווק טכנולוגי
מהי ביוטכנולוגיה ?
• התורה העוסקת בניצול מערכת ביולוגית לייצור
או לאנליזה בתעשייה ,ברפואה ,ובחקלאות
נקראת ביוטכנולוגיה (.)Biotechnology
• על מנת שניתן יהיה להשתמש ביעילות במערכת
הביולוגית ,ברמה התאית או המולקולרית ,על
הביוטכנולוגיה להתבסס על ידע בתחומים רבים.
ביוטכנולוגיה
מדע בין תחומי
•
•
•
•
מקצועות היסוד של מדעי החיים – ביוכימיה ,מיקרוביולוגיה,
גנטיקה ,אימונולוגיה.
כימיה – הפרדות ,אנליזה ,זיהוי מבנים.
הנדסה – פיתוח מתקני ייצור ("ביוראקטורים") ,מעבר
מהמעבדה אל התעשייה ("גימלון").
כלכלה /מנהל עסקים– עמידה במבחן הרווחיות של כל תהליך
ביוטכנולוגי ,בכל תהליך ייצור.
ניתן להבחין ב 5 -שלבים בהתפתחות הביוטכנולוגית
• שלב ראשון
•
•
•
•
•
מאופיין בגישה ניסויית לעיבוד מזון:
התססת מיצי פירות (כולל ייצור יין ובירה)
אפייה
הגבנת חלב
החמצת פירות וירקות
ראשית תקופה זו אינו ידוע
סיומה בסביבות המאה ה17 -
שלב שני
מבוסס על תגליותיו של לואי פסטר ועל גישתו,
לפיה קיימים תנאים הכרחיים לשליטה בתהליך
הביולוגי וליכולת להשתמש בו:
• הכרת התהליך הביולוגי
• הבנה של מנגנונים
• הבנה של מנגנוני בקרה המווסתים את התהליך
ראשית שלב זה בסוף המאה ה19 -
סיומו בשנות הארבעים של המאה ה20 -
שלב שלישי
•
•
•
•
•
•
פיתוח מתקני תסיסה מבוקרים הניתנים לעיקור,
שניתן לבצע בהם תהליכי תסיסה בתרבית נוזלית
מעורבלת.
הקמת תשתית תעשייתית רחבה לייצור מגוון של
חומרים המשפיעים בצורה משמעותית על איכות החיים
ועל תוחלת החיים של האדם :
תרופות אנטיביוטיות
חומצות אמיניות
חומצות אורגניות (לדוגמא :חומצת לימון ,חומצת חלב )
חלבונים ,סטרואידים ועוד...
ראשיתו באמצע שנות ה 40 -של המאה ה20 -
עם תחילתה של ההנדסה הביוכימית.
שלב רביעי
•
•
•
•
•
שופרו אפשרויות :
הזיהוי
ההפקה
ההפרדה
השימוש המבוקר
של מרכיבים שונים של תאים ושל רקמות ביולוגיות ,ביניהם אנזימים
וחלבונים.
• הונח היסוד לשימוש באנזימים ,הן בתהליכי ייצור והן ככלי אנליטי
למטרות דיאגנוסטיות.
תחילתו של שלב זה בשנות ה60 -
עם התפתחות המחקר הביוכימי
סופו בתחילת שנות ה70-
שלב חמישי
שלב הביוטכנולוגיה "המודרנית"
תקופה זו מאופיינת:
• ביישום הידע שהצטבר על המנגנונים המולקולריים של
תהליכי החיים ,לשליטה על אמצעי ייצור ביולוגיים.
פותחו טכנולוגיות בתחום:
• הנדסה גנטית
• הפקת נוגדנים מונוקלונליים (חד שבטיים)
• גידול תאים של צמחים ושל בעלי חיים ושימוש בתאים
אלו בסביבה מלאכותית מבוקרת
• פיתוח שיטות משופרות להפקת מוצרים ביולוגיים
ולניקויים ברמה גבוהה
תחילתו בשנות ה70 -
שטחי הפעילות העיקריים בביוטכנולוגיה
המודרנית
• תהליכי תסיסה ) :(Fermentationייצור תרופות ,תוספי מזון
וביוכימיקלים על ידי מיקרואורגניזמים כגון חיידקים ושמרים.
• הנדסה גנטית :פיתוח מוצרים חדשים ושיפור תהליכי ייצור קיימים.
• ביוטכנולוגיה סביבתית :פיתוח תהליכי ניצול ונטרול של פסולת
חקלאית ותעשייתית ,במגמה לצמצם ולפתור בעיות הקשורות בזיהום
הסביבה.
• הנדסת רקמות – פיתוח של רקמה/איבר בתנאי מעבדה
ייצור נוגדנים
במה נבדל תהליך ביוטכנולוגי מתהליך כימי ?
• שימוש ביצורים חיים
• רמות ניקיון גבוהות (לרוב)
• עבודה בתנאים "עדינים"
• קנה מידה שונה
http://www.esa.int/images/29048_400.jpg
תהליך ייצור ביוטכנולוגי
גורמים מגבילים
• טמפרטורה -טמפ' גבוהה מדי תפגע
בייצור החי או בחלבונים לעומתה
טמפ' נמוכה מאטה תהליכים
•ממסים אורגנים – פוגעים בממברנות
התא או במבנה התלת ממדי של
החלבונים ובפעילותם .ניתנים
לשימוש רק בכמויות מזעריות
• pHומליחות – בתא החי בש"מ –
חוסר איזון גורם לפגיעה בתפקוד ואף
למוות
•זיהומים -מצע הגידול של תאים חיים
מכיל את כל המרכיבים שהתא דרוש
להם לקיום חיים – יכול לגרום לגדילה
של מזהמים.
יתרונות
• תהליך ספציפי – לדוגמא התאמה
של אנזים לסובסטרט
•שימוש בתהליך הטבעי
•ידידותי לסביבה – אין פסולת רעילה
המופרשת לסביבה
•עבודה בטמפ' נמוכות יחסית – אין
צורך בהשקעה מרובה של אנרגיה
המוצרים בתעשייה הביוטכנולוגית מיוצרים
בתהליך מורכב
ולכן יקרים מאוד...
בתעשייה הכימית:
מולקולות אורגניות$5-$10/g :
ביופולימרים$1-$5/g :
תוספי מזון<$1/g :
בתעשיית הביוטכנולוגית:
תרופות רקומביננטיות>$20,000/g :
לדוגמא 5mg :של ( hGHהורמון גדילה) = $100
$100 / 0.005 g = $20,000 / g
)(bulk diamonds = $10,000 / g
התא
יחידת המבנה של
היצורים החיים
המקור מהאינטרנט עובד
ועוצב על ידי תמי צור 2003
תא בעל חיים
תא חיידק
תא צמח
התא הוא היחידה הביולוגית הקטנה ביותר בעלת מאפייני חיים
התאים שונים זה מזה בצורתם ותפקידיהם השונים,
אך למרות זאת קיים דמיון רב ביניהם.
• התא בעל יכולת להתקיים בעצמו
• בעל מבנה מאורגן
• מקיים פעילות של חילוף חומרים
• חש ומגיב לשינויים בסביבתו
• בעל כושר התרבות
מה גודלם?
קיים מגוון רחב של תאים הן
הנבדלים בצורתם ,בפעילותם ובגודלם
1000מיקרון= 1מילימטר
עצים גבוהים ביותר
בן אדם גבוה
ביצת תרנגולת
עובר צפרדע
רוב התאים האוקריוטים
מיטוכונדריה
רוב החיידקים
וירוסים
חלבונים
קוטר של סליל כפולDNA
אטומים
מיקרוסקופיה
Robert Hooke - 1665
Light Microscope
Thin section
15X magnificaton of corn
cells
- 1660רוברט הוק
- 1676אנטון ואן לבנהוק
- 1883קארל צייז בנה מיקרוסקופ פאזות
- 1931ארנסט רוסקה בנה את מיקרוסקופ
האלקטרונים הראשון
תאים פרוקריוטים
Prokaryotic Cells
•
•
•
•
חסרי אברונים
כוללים את החיידקים
(והארכאה)
נמצאים על פני כדור הארץ
כ 3.8 -מיליון שנים.
נמצאים בכל מקום :
– בגוף האדם –במערכת העיכול,
בדרכי הנשימה העליונות.
– בטבע – באדמה ,במים ,באוויר,
במעיינות חמים.
תאים אאוקריוטים
Eukaryotic Cells
• בעלי גרעין תא
• בעלי אברונים פנימיים
• כוללים סוגים שונים :
צמחים ,בעלי חיים ,פרוטיסטה (אצות ,פטריות,
פרוטוזואה).
• כוללים מיקרואורגניזמים ומקרואורגניזמים (רב תאי).
,
,
(
)
5-100
)
ER ,
1-10
(
,
(
…)...
,
,
DNA
RNA
RNA
,
,
,
DNA
תא חיידק -פרוקריוטי
ריבוזומים
גרגרי מזון
שוטון
ממברנה ציטופלסמטית
דופן תא
ציטופלסמה
microtubules
(part of cytoskeleton)
אאוקריוטי- תא צמח
mitochondrion
chloroplast
Golgi complex
central vacuole
smooth endoplasmic
reticulum
vesicle
cell wall
rough endoplasmic
reticulum
plasma
membrane
nucleolus
nucleus nuclear pore
chromatin
nuclear envelope
intermediate
filaments
ribosomes
free ribosome
אאוקריוטי- תא בעלי חיים
flagellum
rough endoplasmic
reticulum
cytoplasm
nuclear pore
chromatin (DNA)
nucleus
nucleolus
nuclear envelope
intermediate
filaments
plasma
membrane
ribosome
lysosome
microtubules
smooth endoplasmic
reticulum
Golgi
complex
free ribosome
vesicle
mitochondrion
vesicle
מבנה סכמטי של תא אאוקריוטי
צמחים ובעלי חיים
דימיון
– שניהם תאים אאוקריוטים
– שניהם מכילים אברונים דומים
– שניהם מוקפים על ידי ממברנה ציטופלסמטית
ההבדלים בין תא צמח לבין תא בעל חיים
לתא צמח יש:
דופן תא
כלורופלסט
חלולית
תא צמח
תא בע"ח
יצורים חד תאים
תאים בודדים המתקיימים באופן עצמאי
אאוקריוטים
פרוקריוטים
סנדלית
אמבה
תאי חיידקים
יצורים רב תאים -מאפיינים
יצורים אאוקריוטים בנויים ממספר רבתאים
אינטרקציות בין תאיותשל
התמיינות תאים -מערכות תאיות
סוגי תאים
סוגי תאים
פיברובלסטים
תאי אצה
תאי עצב
תאי דם אדומים
אברוני התא Organelles
פרט לממברנת הפלסמה (החיצונית) קיימות עוד ממברנות
האחראיות על מידור אברוני התא השונים
אברון ): (Organelle
תת-יחידה של התא החי ,מוקף קרום (ממברנה שומנית) ,ובעל
תפקיד מוגדר בתוך התא.
לדוגמה :אברון -במיטוכונדריה (ביחיד :מיטוכונדריון)
תפקיד -הפקת אנרגיה בתא
אברוני התא:
Cytoskeleton, Nucleus, Endoplasmic Reticulum (ER),
…Golgi system, Lysosom, Peroxisom, Mitochondria
קרום תא
(ממברנה ציטופלסמטית):
מקיף את התא ומגדיר את הגבולותהחיצוניים של התא.
בררני ודרכו עוברים החומרים אל התאומן התא החוצה.
ציטופלזמה )(cytoplasm
נוזל התא (חומר חצי נוזלי דמוי ג'ל אשרממלא את תוך התא ).
בתוך הציטופלזמה מוצאים : אברונים שונים (מיטוכונדריהER ,
ליזוזומים וכו'),
מרכיבים שונים מסיסים,
מערכת חלבונים שמהווים את שלד התאי
)(cytoskeleton
שלד התא Cytoskeleton
•
•
•
•
•
בנוי חלבונים סיביים
מאפשר לתא לשמור על צורתו
(השלד לא קשיח כמו הדופן בצמחים)
מעניק לתא תמיכה ,יציבות ותנועה
מגדיר את מיקום האברונים
בעל תפקיד בחלוקת התא
גרעין Nucleus
•מצוי בתאים אאוקריוטים בלבד
•המבנה הבולט בציטופלזמה
•אחראי על כל התהליכים המתרחשים בתא :מפקח
על פעילות התא ע”י קביעת סוג ,כמות ועיתוי
סינתזה של כל חלבוני התא
•מכיל את המידע התורשתי :בגרעין מצוי החומר
התורשתי בצורה של כרומטין ) DNAו-
היסטונים) הארוזים בכרומוזומים
•אחראי על יצירת החלבונים בתא :המידע המצוי
בכרומוזומים משועתק ל RNA -הנשלח
לציטופלזמה לצורך סינתזת חלבונים
•בעל תפקיד חשוב בחלוקת התא :הגרעין אחראי
על העברת התכונות הגנטיות לתאי בת
•הגרעין עטוף בממברנה כפולה עם פתחים מיוחדים,
דרכם יש מעבר של מולקולות שונות.
• בתוך הגרעין מצוי הגרעינון )(nucleolus
ובו האתר לבניית הריבוזומים (מכיל RNAוחלבונים)
nuclear
envelope
nucleolus
nuclear
pores
chromatin
nucleus
nuclear
pores
רשתית אנדופלסמטית
)(Endoplasmatic reticulum
•מערכת מרושתת של ממברנות מחוברות ביניהם
וקשורות לגרעין התא
•בנוי מרשת גסה ) (Rough ERאליה קשוריםריבוזומים
•ורשת חלקה ) (Smooth ERהבנויה ממברנות ללא ריבוזומים
•רשת הממברנות מחברת את הגרעין לממברנת התא
ולאברונים אחרים
ואחראית לתנועת מרכיבים שונים
בחלל הציטופלזמה
rough endoplasmic reticulum
ribosomes
0.5 micrometers
smooth endoplasmic reticulum
0.5 micrometers
vesicles
מערכת גולג'י
)(Golgi apparatus
•בנוי ממערכת של ממברנות שטוחות
(ציסטרנות) ווסיקולות
•תפקידיו :
עיבוד והובלת חלבוניםושומנים
סוכרים
והובלת רב-
-Cisייצור
- face
קטנות חדשות
שלפוחיות
נוצרות בו
מקורן בER -
-Medial faceאיזור ביניים
-Trans faceניתקות ממנו שלפוחיות גדולות
ונודדות לאיזורים שונים בתא
vesicles
from ER
vesicles
leaving
Golgi
complex
Golgi
complex
הקשר בין הER -
למנגנון גולג'י
ליזוזום )(Lysosomes
• שלפוחיות גדולות יחסית הנוצרות ע"י מערכת גולג'י
• בתוך הליזוזום מצויים כ 50 -אנזימים (: )hydrolases
פעילים בסביבה חומצית מפרקים סוגים שונים של פולימרים ביולוגיים:חלבונים ,פחמימות ושומנים.
איחוי וסיקולות והפרשה
הדגמת הפרשה וסיקולרית בתאי לבלב
סימון רדיואקטיבי של חומצות אמיניות
אקסוציטוזה של חלבונים בוסיקולות
מיטוכונדריה (יחיד :מיטוכונדיון)
•אברון המוקף ממברנה כפולה :חיצונית ופנימית (בעלת קיפולים רבים)
• –Cristaeקיפולי הממברנה הפנימית ,המגדילים את שטח הפנים של
הממברנה הפנימית ויוצרים את החלל הממברנלי הפנימי
) )matrixשל המיטוכונדריה
במיטוכונדריה מתרחש תהליך הנשימה התאית
•המיטוכונדריה אחראית על יצירת אנרגיה מטבולית
•תוצרי תהליך זה מהווים את מקור האנרגיה העיקרי לתא
•האנרגיה נוצרת על ידי פרוק של פחמימות ושומנים (במקרים מסויימים
גם חלבונים) המומרים למולקולות של ATP
סיכום תהליך הנשימה התאית -
•אנרגיה )+(ATPמים +פחמן דו חמצני
חמצן +גלוקוז
מיטוכונדריה
5 micrometers
משערים שמקור המטוכונדריה בתא חיידק שנכנס לתא
מאחסן גדול וקיבל את תפקיד יצירת האנרגיה בתא
ריבוזומים )(Ribosomes
• אינם מוקפים בממברנות (לכן אינם נחשבים כאברונים)
• מצויים גם בחיידקים (ריבוזום קטן יותר)
• בנויים משתי תתי-יחידות (תת יחידה קטנה ותת יחידה גדולה)
• בנויים מ RNA -ריבוזומלי ) (rRNAוחלבוני מבנה נוספים
• אחראים על יצור החלבונים בתא
• ניתן למצאם חופשיים בציטופלסמה או
על גבי הרשתית האנדופלסמטית המחוספסת )(rER
Peroxisome
אברון מוקף ממברנה......
תא צמח
http://www.bartleby.com/61/imagepages/A4cell.html
דופן התא
קרום התא
מנגנון גולג'י
כלורופלסט
חלולית
גרעין התא
מיטוכונדריון
קרום התא
רשת אנדופלסמטית
גרעינון
כלורופלסט
• מצוי רק בתאי צמחים
• קולט את אנרגית אור
השמש וממירה לאנרגיה
כימית
• מייצר גלוקוז מפחמן דו
חמצני ומים
הכלורופלסט
בכלרופלסט מתרחש תהליך הפוטוסינתזה
אור
חמצן +גלוקוז
מים +פחמן דו חמצני
כלורופלסטים מבודדים
מבנה הכלורופלסט
דופן התא הצימחי
• בנויה בעיקר מתאית
• עוטפת את קרום התא
• מגנה על התא
• מקנה לו תמיכה וחוזק
• אין לה תפקיד ברירני כמו לקרום
חלולית התא (וקואולה)
• מכילה מים ,מלחים ופיגמנטים
• משמשת לתא בעיקר כמאגר נוזלים
• שומרת ותורמת לצורת התא
• יוצרת לחץ על הציטופלסמה דה פלסמוליזה
לחץ זה נקרא לחץ טורגור
יציאת מים
מחלולית התא
פלסמוליזה
כניסת מים לתוך
חלולית התא
מה בין תא לייצור השלם
תא
יחידת החיים הקטנה ביותר
רקמה
קבוצת תאים בעלי תפקיד
ומבנה זהה
איבר
מספר סוגי רקמות
הפועלות יחדיו
מערכת
יצור -
אורגניזם
מספר איברים המתפקדים
יחדיו בגוף.
כלל המערכות המאפשרות
את תפקודו של היצור החי
וירוסים
•
•
•
•
•
הוירוסים הינם תאים
אינם נחשבים כחיים
פרזיטים מוחלטים
גורמים למחלות רבות
בכל היצורים החיים כמעט
מאוד ספציפיים
תא פרוקריוטי
תא אאוקריוטי