Transcript C`eshte bioteknologjia

HYRJE
C’eshte bioteknologjia ??
• Bioteknologjia eshte nje koncept i gjere, i biologjise se aplikuar qe
perfrshine shfrytezimin e organizmave te gjalla (bakteret, majate,
kulturat qelizore indore dhe proceset biologjike ne inxhinieri,
teknologji, mjekesi, farmaci, dhe teknologji ushqimore
• Ne kuptimin e saj te gjere, BT i ka fillimet e saja qe ne kohen kur
fermentuesit joprofesioniste perdornin majane (tharmin)
(S.Cerevisae) per prodhimin e birres apo bakteret per shndrimin e
qumeshtit ne kos.
• Bioteknologjia ka te beje me prodhimin e lendeve, industriale duke
shfrytezuar veprimet metabolike te m.o ose te organizmave bimore,
shtazore apo te kulturave te tyre qelizore.
• Termi BT u pordor per here te pare me 1917 nga inxhinieri hungarez
Karl Ereky.
bioteknologjia, konceptet baze
1
BT
• Sipas konventes se kombeve te bashkuara mbi diversitetin biologjik BT,
definohet: “
• Cdo aplikim teknologjik qe shfrytezon sisteme biologjike, organizma te
gjalla, ose derivate nga keto organizma per te prodhuar ose modifikuar
prodhime te ndryshme per perdorime specifike”
• Sipas perkufizimit te Federates Europiane te Bioteknologjise: “BT
nenkupton perdorim ne menyre te integruar te MikB, BioK, inxh. Kimike
per te shfrytezuar per qellime industriale aftesite potenciale te MO,
qelizave te kultivuara bimore apo shtazore apo te pjeseve te tyre.
• BT bazohet ne shkencat e para biologjike (gjenetika, mikrobiologjia,
biologjia molekulare, biokimia, embriologjia, si dhe ne njohjen e metodave
nga sfera e biologjise, (inxh. Kimike, bioproceset, teknologjia informative,
biostatistiken, metod e biologjise molekulare etj).
bioteknologjia, konceptet baze
2
Perparesite e BT
• Nje pjese e produkteve apo lendeve te prodhuara me rruge
bioteknolgjike mund te prodhohen edhe me rruge kimike por
“sekreti” i proceseve bioteknologjike qendron ne shfrytezimin
e kontrolluar nga njeriu,
• Ne dallim nga proceset kimike keto procese kryhen ne kushte
te “buta” temperature, presioni, pH, etj.
• Per t’u realizuar keto nuk nevojiten as sasi te medha te
energjise as acide, baza te forta, pra keto procese rezultojne
me te leverdishme edhe nga pikpamja ekonomike.
bioteknologjia, konceptet baze
3
Perparesite e produkteve te BT
• Pervec kesaj, qelizat ne kultura duke qene shume specifike ne
veprimin e tyre, japin vetem produkte natyrale terresisht te
parashikueshme, duke evituar keshtu fitimin e produkteve
sekondare te padeshirueshme apo toksike.
• Proceset BT perdorin lende te
rinovueshme dhe te
biodegradueshme, kjo ben qe keto procese te jene me pak ndotese,
pra edhe te parrezikshme per mjedisin, aspekt qe sot perben nje
nga problemet kryesore jo vetem per vendet e zhvilluara por edhe
ato ne zhvillim.
bioteknologjia, konceptet baze
4
Historiku i BT
• Zhvillimi historik i BT mund te ndahet ne tre periudha
kryesore:
a) E para fillon nga koherat me te hereshme deri ne mesin e
shek te 19
b) E dyta deri ne vitet e Luftes se Dyte Boterore
c) Dhe e treta periudhe deri ne kohet e sotme – ne kete te
fundit do te veconim perdorimin me sukses te metodave dhe
teknikave te inxhinierise gjenetike per perfitimin e
Organizmave te Ndryshuar Gjenetikisht (GMO genetically
modified organisms)
bioteknologjia, konceptet baze
5
Historiku i BT
• Periudha e pare karakterizohet nga zbulime te rastesishme te
cilat sollen nevojen e teknikave te ruajtjes dhe fitimit te
ushqimeve apo pijeve me veti organoleptike karakteristike
• Vera, birra, djathi, kosi, etj., jane produkte ushqimore qe
njiheshin nga te gjithe popujt ne lashtesi.
• Prodhimi i produkteve te fermentuara njihet ne nje periudhe
me te voneshme,
• MISO- ushqim i fituar nga fermentimi i sojes
• SAKEJA- Pije alkoholike qe fitohet nga fermentimi i orizit (pije
japoneze)
bioteknologjia, konceptet baze
6
Historiku i BT
• Kalimi nga periudha e pare ne periudhen e dyte dallohet nga
disa zbulime te izoluara ne Europe nga fundi i shek. XVII deri
ne fillim te shek. XIX.
• Me 1680 A. Van Lewenhoeck veren per here te pare ne nje
pike birre pranine e disa trupezave sferoide te cilat i quajti
animalcula, por pa dhe dha idene se ato ishin qenie te gjalla.
• 200 vjet me vone u vertetua ekzistenca e m.o dhe roli i tyre.
• Merita me e madhe per kete zbulim i takon Luis Pasterit icili
cilesohet edhe si themelues i MikroB.
bioteknologjia, konceptet baze
7
Eksperimenti i Pasterit
• Shkencetaret ishin te shqetesuar me kunderthenien e sotme
aktual se a mund qe jeta te paraqitet spontanisht??!!
• Eksperimenetet e bera me 1768, sygjeruan se jeta duhet te
vije prej jetes, mirepo mendonin se ne m.o apo me sakte jeta
formohet ne menyre spontane
• Me 1860, Lui Paster beri eksperimenete qe te tregoje se edhe
te m.o ne te vertete nuk paraqiten gjeneratat spontane.
bioteknologjia, konceptet baze
8
Paster’s experiment
• Pasteri zbuloi se pergjegjes per fermentimin ishin disa trupeza
sferoidale e jo te sterzgjatur (majate)
• Ai vuri themelet e teknikave te izolimit te kulturave te pastra
te m.o. poashtu te nje procesi qe per nder te tij mban edhe
emrin pasterizim, duke hedhur poshte teorine e gjenerimit
spontan, qe mbreteronte deri ne ate kohe, Pasteri tregoi
ekzistencen e m.o anaerobe obligative dhe fakulative, efektin
e mungeses se oksigjenit ne nderprerjen e frymemarrjes dhe
nxitjen e fermentimit (efekti Paster)
bioteknologjia, konceptet baze
9
Zhvillimi historik
• Nga fundi i shek.XIX ishin krijuar te gjitha premisat per kalimin e
proceseve fermentative ne permasa industriale
• Filloi te studijohej mekanizmi i fermentimeve me synimin per te
marre produkte dytesore dhe te ndryshme nga ajo qe pritej.
• Pikerisht kjo u shfrytezua ne Gjermani gjate Luftes se Pare Boterore
ku procesi i Neuberg per fermentimin alkolik u modifikua per te
prodhuar glicerine, per lende eksplozive.
• Me vone filloi prodhimi i produkteve tjera me rruge fermentative :
acidi citrik, acidi glukonik, acetonin, glicerolin etj.
• Me fillimin e LD Boterore, mbyllet periudha e dyte e historikut te
Bioteknologjise.
bioteknologjia, konceptet baze
10
• Ne Luften e Dyte Boterore filloi epoka e fermentatoreve
modern ose e biorektoreve dhe e antibiotikeve.
• Gjate luftes se dyte Boterore nevojitej zgjidhja e problemit te
infeksioneve te plageve dhe per kete anglezet dhe
amerikanet ju drejtuan universiteteve dhe industrive
farmaceutike per te prodhuar ne shkalle te gjere penicilinen
e cila ishte zbuluar me 1939 nga Florey dhe Chain, bazuar
nga vrojtimet A.Fleming 10 vjete me heret.
bioteknologjia, konceptet baze
11
• Antibiotiket ishin komponimet e para primare te prodhuara
per t’u perdorur si barera kunder baktereve gjate kohes se
luftes.
• Teknologjia fermentative nuk ka mundur te jete e afte per
prodhime komerciale te antibiotikeve pa zhvillimin e
metodave per izolimin e llojeve.
• Antibiotiku peniciline eshte prodhuar me fermentimin e
Peniciliumit.
bioteknologjia, konceptet baze
12
Disa antibiotike te prodhuar per nevoja komerciale
antibiotiku
Mikrorganizmi prodhues
klasa
cefalosporina
Cephalosporium acremonium
Spekter I gjere
penicilina
Penicillium chrysogenum
Bakteret Gram -pozitive
Te fituara nga kerpudhat
Nga bakteret G-pozitive
sporogjene
Bacitracin
Bacillus subtilis
Bakt. G-pozitive
Polimiksin B
Bacillus Polymixa
Bakt. G-negative
bioteknologjia, konceptet baze
13
Antibiotiket per nevoja komerciale
Antibiotike te perfituara
nga aktinomicetet
kloramfenikoli
Streptomyces venecuelae
Spekter I gjere
cikloheksimid
Streptomyces griseus
Kerpudha patogjene e
tharmit
eritromicina
Streptomyces erythreus
Kryesisht bakt g-pozitive
kanamicina
S. kanomycetus
Ne bakt. G-pozitiv
neomicina
S. fradiae
Spekter I gjere
Nistatina
Streptomicina
S. Noursei
S. Griseus
Kerpudha
Bakt G-neg
tetraciklina
S. rimosus
Spekter I gjere
bioteknologjia, konceptet baze
14
Historiku i BT
• !950-1960 suksesi me i madhe ne industrine fermentative,
prodhimi fillimisht i penicilines dhe me pas i antibiotikeve te
tjere ne shkalle industriale.
• Impiantet e ngritura per kete qellim bene te mundur
realizimin e proceseve fermentative per nje game te gjere
lendesh te tjera si vitamina, aminoacide, polisaharide etj.
bioteknologjia, konceptet baze
15
Aminoacidet e prodhuara dhe perdorimi i tyre
aminoacidi
Perdorimi si aditive (permiresues te shijeve, afatit, konservim
etj.,)
alanina
Shtohet ne lengun e pemeve per permiresimin e shijes
aspartati
Per permiresimin e shijes
cisteina
Shtohete ne buke dhe ne lengjet e pemeve per te forcuar shijen
glutamati
Shtohet ne shume ushqime per te forcuar shijen (si monosodium
glutamat)
Glicina
E perforcon shijene e ushqimit te sheqerosur
histidina
Pengon shkaterimin e ushqimit
metionina
Prodhimet nga soja i bejne me komplete proteinat
bioteknologjia, konceptet baze
16
Enzimat e rendesishme komerciale te prodhuara nga m.o
enzima
funksioni
Mikrorganizmi
prodhues
celulaza
Hidrolizon celulozen Trichoderma konigi
Ndihmon ne zierje
kolagjenaza
Hidrol. kolagjenin
Clostridium
histoliticum
Ndihmon ne
sherimin e plageve
invertaza
Hidrolizon
saharozen
Sacharomyces
cerevisae
Prodhim I
embelsirave
lipaza
Hidrolizon yndyrat
Rhizophus spp.
Ndihmon ne zierje
pektinaza
Hidrolizon pektinen
Sclerotine libertine
Pastron lengjet e
pemeve
proteaza
Hidrolizon proteinat Bacilus subtilis
bioteknologjia, konceptet baze
perdorimi
Per detergjente,
sapuna
17
I.GJ
• Nga mesi i viteve te 70 lindi Inxhinieria Gjenetike, kjo hapi nje
rruge per mundesi aplikative te jashtezakonshme te IGJ.
• Teknikat e IGJ, bejne te mundur nderhyrjen e drejteperdrejte
ne informacionin gjenetik te qelizave, duke krijuar lloje te reja,
per te prodhuar sasi te nje lende te deshiruar, apo lende
terresisht te ndryshem e artificiale.
• Fillimisht do te trajtohen organizmat qe shfrytezon BT.
bioteknologjia, konceptet baze
18
mikroorganizmat
• Mikrorganizmat perbejne protagonistet kryesore te BT si per
aplikimet klasike ashtu edhe per ato moderne.
• M.o paraqesin nje sere perparesish ne krahasim me qelizat e
tjera bimore apo shtazore
• Shtohen shpejt dhe ne terrene te shumellojshme, kane nje
kohe ndarje shume te shkurter, kerkojne terene rritjeje jo te
kushtueshme dhe kulturat e tyre manipulohen shume shpejt
• Qe te shfrytezohen duhet njohur me hollesi ndertimi i tyre,
funksioni, metabolizmi dhe kinetika e rritjes.
bioteknologjia, konceptet baze
19
m.o
• me termin m.o kutohet cdo organizem me permesa te tilla qe
nuk mund te shihet me sy te lire
• Ne boten mikrobike bejne pjese: bakteret, kerpudhat, algat,
protozoaret, te gjitha organizma shume te ndryshem per sa i
perket formes, permasave relative, mekanizmit te riprodhimit,
ciklit jetesor, etj.
bioteknologjia, konceptet baze
20
bioteknologjia, konceptet baze
21
bakteret
• Bakteret karakterizohen nga nje metabolizem i shume
llojshem, pervec rrugeve te ndryshme te perdorimit te
glukozes me ane te frymemarrjes, bakteret shfrytezojne edhe
rruge alternative fermentative te shumellojshme, veti qe i ben
shume te rendesishme nga pikepamja bioteknologjike.
• Mikrorganizmat me interes BT jane kryesisht kimiorganotrofe
d.m.th te afta per te marre energji nga oksidimi i
komponimeve organike qe mund te jene te llojeve te
ndryshme : karbohidrate, acide organike, aminoacide ose
hidrokarbure.
• Megjithate GLUKOZA, eshte ajo me e perdorura, eshte
karbohidrat i thjeshte dhe haset shume ne natyre.
bioteknologjia, konceptet baze
22
bakteri
bioteknologjia, konceptet baze
23
Konsiston ne aminoacide dhe
karbohidrate
-Kristal vjollce
VJOLLCE
-Expozohen ne jod
-Larje me alkool
-Ngjyruesi I 2 safranina kuqe vjollce
bioteknologjia, konceptet baze
ROZE
24
bioteknologjia, konceptet baze
25
bioteknologjia, konceptet baze
26
bioteknologjia, konceptet baze
27
bakteret
• M.o e perdorin glukozen ne menyra e ne rruge te ndryshme,
shumica e tyre e shperbejne glukozen me ane te Glikolizes, qe
con deri ne formimin e acidi piruvik e me pas deri (aerob) ne
CO2 dhe H20.
• Si marres dhe mbartes i energjise (elektroneve dhe
protoneve) sherbejne koenzima NAD→NAD-H i cili mer
elektronet nga gliceraldehid 3 fosfati, me pas i dhuron
elekektronet ne ne zinxhirin e transportit te elektroneve.
• Meqenese molekulat e NAD-it jane te kufizuara ne qelize, pasi
reduktohen te gjitha, oksidimi nuk mund te ndodhe me dhe si
rrjedhim nuk mund te ndodhe edhe prodhimi i energjise.
bioteknologjia, konceptet baze
28
bioteknologjia, konceptet baze
29
bakteret
• Per kete arsye ne disa organizma p.sh Lactobacillus ashtu si ne
muskujt e disa kafsheve edhe te njeriu, NAD-H rioksidohet nga
vete acidi piruvik dhe ky i fundit shendrohet ne acid laktik.
Ose ac. i qumeshtit. Dhe i gjithe procesi i shnderrimit te
glukozes ne ac. Laktik merr emrin FERMENTIM LAKTIK.
• Ne disa mikroorganizma te tjera p.sh Saccharomyces (maja),
NAD, rigjenerohet ne nje menyre tjeter: acidi piruvik permes
se eliminit te nje mol. te CO2 shndrohet ne aldehid acetik e
cila me pas reduktohet nga NADH edhe ne alkol etilik,
• Varesisht nga fakti se cili produkt formohet mer emrin edhe
fermentimi. Metilik, acetik, aceton butilik, etj.
bioteknologjia, konceptet baze
30
Skeme e fermentimit laktik dhe etilik
bioteknologjia, konceptet baze
31
Acidi piruvik permes se eliminit te nje mol. te CO2 shndrohet ne
aldehid acetik i cili me pas rioksidohet nga NADH ne NAD+ dhe
ne alkol etilik,
bioteknologjia, konceptet baze
32
fermentimi
• Ne fermentimin alkoolik p.sh nga nje molekule glukoze fitohen
dy molekula etanol dhe dy molekula CO2.
C6H12O6 » 2CH3CH2OH + 2CO2
• Pervec kesaj disa baktere dhe kerpudha nuk e shnderojne te
gjithe substratin energjetik ne CO2 dhe H20, por prodhojne
edhe produkte te dobishme, si psh produkte te ndermjetme
te Ciklit te Krebsit (acidin citrik).
bioteknologjia, konceptet baze
33
Per cilet elemente kimike kane nevoje m.o ne BT ?
• Pamarre parasysh a kryejne frymemarrjen ose fermentojne
m.o kane nevoje per: karbon, hidrogjen, oksigjen, azot, squfur
e fosfor (CHNOSP), pra per te gjitha elementet kimike qe
ndertojne lenden qelizore.
• Karboni meret nga glukoza, hidrogjeni dhe oksigjeni meren
nga H2O, disa mikrobe perdorin oksigjenin atmosferik, azoti
meret nga kriperat e amonit, dhe aminoacidet, ka baktere qe
shfrytezojne azotin atmosferik, qe sigurojne pjellorine e tokes,
squfuri dhe fosfori perdoren nga komponimet organike ne
trajten e sulfateve SO4, dhe fosfateve PO4.
bioteknologjia, konceptet baze
34
Lendet minerale dhe faktoret e rritjes
• Elementet e tjera te nevojshme per m.o por qe kerkohen ne
sasi me te vogla jane kryesisht lendet minerale qe meren ne
trajten e kriperave: natriumit, kaliumit, kalciumit, magnezit,
dhe hekurit (Na,K,Ca,Mg,Fe) (makroelemente), dhe ne sasi me
te vogel jane te nevojshem (mikroelemente) bakri, zinku,
kobalti, mangani, molibdeni .
• Disa lende vendosen te gatshme ne terene ushqyse per
zhvillimin e baktereve dhe quhen faktore te rritjes, sic mund
te jene purinat dhe pirimidinat.
bioteknologjia, konceptet baze
35
Kushtet e nevojshem per rritjen e m.o
• Kushtet mjedisore te pershtetshme: pH-i , temperatura,
ajrimi,
• Rritja optimale ne pH 6,5-7,5 ka raste ku bakterete rriten edhe
ne kushte shume bazike ose acidike. (shfrytezohen solucione
tampon)
• Temperaturat: nga 0°C -80°C, megjithese temp. optimale
eshte 30-35°C, termofile, mezofile,
• Nen temp. 0° e ka bazen ruajtja e kulturave mikrobike, per nje
kohe te gjate dhe “ringjallja” e tyre.
bioteknologjia, konceptet baze
36
Kushtet e nevojshem per rritjen e m.o
• Rritja mikrobike, eshte e lidhur ngushte edhe me pranine ose jo te
oksigjenit, per keta faktore bakteret paraqesin shumellojshmeri,
• Aerobet obligative, nuk mbijetojne pa O2,
• Anaerobo obligative, O2 toksik per ta
• Anaeroba fakultative (indiferente ndaj pranise se O2)
• Faktore tjeter shume i rendesishem eshte edhe drita, bakteret
fotosintetike kane nevoje per drite,
• Te gjitha faktoret e permendur duhet te meren parasysh gjate
perdorimit te tyre ne kushte industriale per prodhimin e lendeve
me interes per njeriun.
• Optimizimi dhe permiresimi i ketyre parametrave eshte nje nga
drejtimet me te rendesishme per te marre produktin e deshiruar.
bioteknologjia, konceptet baze
37
Majate (tharmi – S.cerevisiae)
• Majate jane nder m.o me te shfrytezuara si ne aspektin sasior
ashtu edhe cilesor
• Jane kerpudha te uleta, njeqelizore,
• Shumimi vegjetative me bulezim (Budding)
• Cikli jetesor me alternim, haploide dhe diploide,
• Ciftezimi (mating) mund te ndodhe vetem midis formave
“seksuale” te percaktuara gjenetikisht a dhe ᾳ
• Majate mund te paraqesin edhe forma poliploide, jane me te
qendrueshme
• Maja me e perdorur ne industri eshte Saccharomyces
cerevisae.
bioteknologjia, konceptet baze
38
bioteknologjia, konceptet baze
39
Saccharomyces cervisiae
bioteknologjia, konceptet baze
40
bioteknologjia, konceptet baze
41
Genome sequencing
• S. cerevisiae was the first eukaryotic genome that
was completely sequenced.[3] The genome
sequence was released in the public domain on
April 24, 1996. Since then, regular updates have
been maintained at the Saccharomyces Genome
Database. The genome is composed of about
12,156,677 base pairs and 6,275 genes, compactly
organized on 16 chromosomes. Only about 5,800
of these are believed to be true functional genes.
Yeast is estimated to share about 23% of its
genome with that of humans.[citation needed]
bioteknologjia, konceptet baze
42
Perdorimi
• Gjinite me te perdorura ne idustri jane Saccharomyces dhe
Candida,
• kryesisht perdoren ne industrine e bukes, birres, dhe
prodhimit te alkoolit
• Pervec rendesise praktike, majate kane luajtur rol edhe ne
aspektin teorik duke ofruar per studim proceset baze te
biokimise, proceseve metabolike e gjenetike te qelizave
eukariote.
bioteknologjia, konceptet baze
43
Perdorimi industrial
• Perdorimi i majave mund te klasifikohet ne tri grupe sipas lidhjes
midis biokimise se tyre dhe produktit qe prodhojne:
• Perberes qelizore, :
 Qeliza te plota ne gjendje te thate, biomasa (ushqim per kafshet)
 Perberes makromolekulare- lipide, proteina, enzima
 Komponime te ekstarkuara, koenzima, vitamina.
• Produkte te sekretimit:
 Birre, vere, limontos, pije alkolike, etanol per energji
 Dioksid karboni
• Bashkeveprimi enzime – substart
 Perdorimi I hirres
 Perdorimi I amidonit/dekstrines
 Prodhimi I maltrotriozes
bioteknologjia, konceptet baze
44
bioteknologjia, konceptet baze
45