Biotechnologia – historia i współczesność
Procesy biotechnologiczne służyły ludziom już w starożytności – do produkcji napojów alkoholowych, serów i chleba, a także do hodowli roślin i zwierząt. Obecnie wykorzystywane są głównie na skalę przemysłową, w mniejszym zaś stopniu – w przydomowych ogródkach i kuchni.
organizmy mogą być wykorzystywane w produkcji na przykład wina, piwa, serów;
podczas fermentacji mlekowej powstaje kwas mlekowy, a podczas alkoholowej – alkohol.
opisywać dziedziny biotechnologii;
opisywać procesy wytwarzania produktów spożywczych z zastosowaniem mikroorganizmów;
wskazywać produkty żywnościowe wytworzone z wykorzystaniem metod biotechnologicznych.
1. Biotechnologia służy poprawie bytu człowieka
BiotechnologiaBiotechnologia jest interdyscyplinarną nauką stosowaną, badającą i opracowującą różne sposoby wykorzystania materiałów i procesów biologicznych na skalę przemysłową. Obecnie stosowane metody pojawiły się prawdopodobnie wraz z rozpoczęciem hodowli zwierząt i uprawy roślin. W tradycyjnej biotechnologii do produkcji żywności lub leków wykorzystuje się organizmy bez wprowadzenia zmian w ich genach. Biotechnologia nowoczesna natomiast dostosowuje organizmy do potrzeb produkcyjnych poprzez wprowadzanie zmian w ich genomie.
Ze względu na obszary, w których biotechnologia znajduje zastosowanie, podzielono ją na 3 kategorie opisane kolorami: białym, czerwonym i zielonym. Klasyfikacja ta została zaproponowana przez Organizację Współpracy Gospodarczej i Rozwoju przy udziale Unii Europejskiej.
Biotechnologia biała znajduje zastosowanie w produkcji przemysłowej i ochronie środowiska. Użycie komórek bakterii, grzybów pleśniowych, drożdży oraz wytwarzanych przez nie enzymów pozwala przekształcać produkty rolne i uzyskiwać z nich leki, chemikalia, dodatki konsumpcyjne i inne wyroby. Mikroorganizmy wykorzystywane są również na skalę przemysłową do oczyszczania ścieków i gleby. Procesy przemysłowe oparte na biotechnologii są bardziej przyjazne środowisku i mniej kosztowne niż tradycyjne, co wiąże się z niższym zużyciem energii, oszczędnością surowców i redukcją ilości odpadów.
Biotechnologia czerwona jest wykorzystywana w ochronie zdrowia, do produkcji nowych leków (bioleków) i rozwoju diagnostyki genetycznej. Obecnie większość bioleków jest wytwarzana przy udziale genetycznie zmodyfikowanych bakterii E. coli czy drożdży S. cerevisiae. Stosując bioleki, lekarze z powodzeniem mogą zapobiegać cukrzycy, udarowi mózgu, zapaleniu wątroby, anemii, astmie, a także białaczce i innym chorobom nowotworowym.
Biotechnologia zielona jest związana z rolnictwem i stosowana w celu zwiększenia produkcji roślinnej i zwierzęcej. Wytworami tej gałęzi biotechnologii są m.in. genetycznie modyfikowane odmiany roślin, odporne na przykład na choroby grzybicze i bakteryjne. Niektóre rośliny, jak soja i kukurydza, zostały wyposażone w gen odporności na środki chwastobójcze.
Przykładem białka wytworzonego przez polskich naukowców za pomocą metod biotechnologii jest gensulina (insulina). Krajowa produkcja tego leku spowodowała obniżenie jego ceny w stosunku do specyfików sprowadzanych z zagranicy.
2. Bakterie mlekowe i konserwowanie żywności
Kwaszenie owoców i warzyw z wykorzystaniem fermentacji mlekowej to jeden z najstarszych procesów biotechnologicznych, chociaż jego biologiczny i chemiczny mechanizm został zbadany i opisany dopiero w XIX w. W czasach, gdy lodówki i zamrażarki nie były znane (lub powszechnie stosowane), surowe mleko i świeże warzywa nie mogły być przechowywane zbyt długo. Wytwarzano z nich przetwory, w których kwas mlekowy – produkt metabolizmu bakterii mlekowych – pełnił funkcję konserwującą.
Fermentacja mlekowa jest procesem przekształcania cukrów (węglowodanów) w kwas mlekowy, który powoduje ścinanie się kazeiny, białka obecnego w mleku. Proces ten wykorzystywany jest do produkcji przetworów mlecznych oraz serów.
KiszenieKiszenie to metoda konserwacji owoców, warzyw i grzybów. Kiszonki można przechowywać wiele miesięcy bez narażenia na zepsucie, ponieważ kwas mlekowy nie dopuszcza do rozwoju innych drobnoustrojów saprofitycznych, oprócz tolerujących go bakterii mlekowych. Trwałość kiszonych produktów gwarantowało w przeszłości obniżenie temperatury przechowywania (w piwnicach, na dnie strumieni) i szczelne zamknięcie, w celu utrzymania warunków beztlenowych. Na skalę przemysłową kiszenie kapusty i ogórków przeprowadza się w betonowych lub metalowych silosach zaopatrzonych w instalację do odprowadzania wydzielającego się dwutlenku węgla. Po okresie fermentacji warzywa pakuje się do plastikowych lub drewnianych beczek.
Proces fermentacji mlekowej znalazł również zastosowanie w produkcji dojrzewających serów podpuszczkowych. Powstają one dzięki użyciu podpuszczki – enzymu uzyskiwanego z żołądków zwierząt lub jej syntetycznego odpowiednika. Powoduje on ścinanie się (denaturację) białka w mleku. Powstałą masę serową formuje się i poddaje dojrzewaniu, podczas którego bakterie oraz grzyby rozkładają część białek i tłuszczów. Zmianie ulega wygląd, smak oraz zapach sera.
Bakterie fermentacji mlekowej są też stałym składnikiem flory bakteryjnej ludzkiego jelita. Wytwarzając kwasy, ograniczają działalność bakterii gnilnych i chorobotwórczych. Po terapii antybiotykowej, w celu odbudowania populacjitych pożytecznych mikroorganizmów, przyjmuje się probiotykiprobiotyki, czyli preparaty i produkty żywnościowe zawierające żywe kultury bakterii.
Ryby zalane solanką, syrop z owoców czy śliwki w occie to przykłady konserwowanych produktów spożywczych. Wyjaśnij, dlaczego sól, cukier czy ocet dodane do świeżej żywności powodują jej zakonserwowanie.
Jak działa na mikroorganizmy silnie stężony roztwór soli lub cukru oraz roztwór o niskim pH?
W przepisie na kwas z buraków znajduje się następująca instrukcja: „Pół kilograma umytych, obranych i pokrojonych buraków oraz 4 ząbki czosnku ułóż w słoiku i zalej letnią wodą, w której rozpuszczono czubatą łyżeczkę soli i cukru. Dodaj kromkę razowego chleba na zakwasie. Przykryj słoik ściereczką, nie zamykaj go szczelnie. Odstaw słoik w ciepłe miejsce na 5 dni.”
Wyjaśnij, dlaczego buraki należy zalać letnią, a nie gorącą bądź zimną wodą, a hodowlę trzymać w cieple. Wytłumacz, po co dodaje się razowy chleb i dlaczego słoik, w którym tworzy się kwas, nie może być szczelnie zamknięty.
Mleko stało się pokarmem dorosłych ludzi dopiero ok. 7,5 tysiąca lat temu, kiedy u Europejczyków upowszechniła się mutacja umożliwiająca trawienie cukru mleka – laktozy. Wcześniej zdolność trawienia nieprzetworzonego mleka posiadały tylko małe dzieci. Dorośli mogli spożywać jedynie sery i jogurty, w których laktoza jest częściowo rozłożona. Do dziś nietolerancja laktozy charakteryzuje znaczną większość mieszkańców Afryki, Azji i rdzennych Amerykanów.
Wędliny dojrzewające, jak na przykład pochodzące z Włoch salami, drobno mielona kiełbasa metka lub litewski kindziuk, wytwarza się z wykorzystaniem bakterii. W procesie ich produkcji bakterie mlekowe wpływają na barwę, konsystencję, wyrazisty smak i zapach otrzymywanych produktów mięsnych. Przede wszystkim jednak wydłużają czas przydatności do spożycia w stosunku do terminu przydatności surowca, z którego powstały.
3. Udział drożdży w produkcji alkoholu
Już w starożytności drożdże były używane do produkcji alkoholu, choć oczywiście nikt wtedy jeszcze nie wiedział, że to one są odpowiedzialne za przemianę słodkiego soku w wino. Do fermentacji najlepiej nadawały się owoce winogron, zawierające dużo cukrów, na których drożdże występują naturalnie. Wystarczyło więc tylko zgnieść owoce i zamknąć je w pojemniku z otworem umożliwiającym ujście dwutlenku węgla, a całość pozostawić w ciepłym miejscu. Obecnie do produkcji wina i piwa używa się specjalnych szczepów drożdży (tzw. drożdży winnych lub piwnych), wyselekcjonowanych pod względem skuteczności oraz rodzaju produktu, który chcemy uzyskać.
W naszej strefie klimatycznej bogatą historię ma produkcja piwa. Proces ten trwa ok. 8‑10 dni. Niezbędnym surowcem jest ziarno jęczmienia, które poddane zostaje kiełkowaniu. Ma ono na celu uruchomienie obecnych w nim enzymów rozkładających skrobię i białka (zgromadzonych w ziarnach jako materiał zapasowy). Skiełkowane ziarno zwane słodem rozdrabnia się, zalewa wodą i podgrzewa – sporządza zacier. Podczas przygotowania zacieru obecne w słodzie enzymy powodują dalszy rozkład białek i skrobi. Po przefiltrowaniu płyn, zwany brzeczką piwną, jest mieszany z chmielem i gotowany (warzony). Gotowanie ma na celu rozpuszczenie składników chmielu, odparowanie wody, sterylizacjęsterylizację składników i uzyskanie odpowiedniej barwy i aromatu. Następnie brzeczka przepompowywana jest do specjalnej kadzi, na której dnie osadzają się odpady i schładzana. W kolejnym etapie dodaje się do brzeczki wyselekcjonowane drożdże piwne, które wytwarzają alkohol i dwutlenek węgla. Fermentacja trwa od kilku do kilkunastu dni. Następnie piwo jest filtrowane i leżakowane.
Dlaczego wino pozostawione na jakiś czas w otwartej butelce kwaśnieje?
Oprócz drożdży w winie znajdują się także bakterie fermentacji octowej. Nie rozwijają się one, dopóki warunki są beztlenowe. Jednak w obecności tlenu bakterie przekształcają alkohol etylowy w kwas octowy (w procesie fermentacji octowej). Może to być także proces pożądany – dzięki niemu bowiem uzyskuje się z wina ocet winny.
4. Biotechnologia w piekarniach i cukierniach
Miejscem, w którym wykorzystuje się proces fermentacji, są także piekarnie i cukiernie. Do mąki pszennej dodaje się drożdże w celu spulchnienia ciasta. Drożdże piekarnicze wytwarzają dużo dwutlenku węgla, który rozpycha ciasto, zwiększając jego objętość. Pieczywo z mąki żytniej potrzebuje zakwasu zawierającego bakterie kwasu mlekowego. Jego przygotowanie polega na poddaniu mąki procesowi fermentacji. Miesza się ją z wodą i odstawia na kilka dni w ciepłe miejsce. Tak przygotowany zakwas dodaje się do mąki żytniej w celu spulchnienia ciasta i nadania mu wyrazistego kwaśnego smaku.
W warunkach domowych zmieszanie mąki żytniej z ciepłą wodą nie zawsze prowadzi do powstania zakwasu. Często w hodowli pojawiają się pleśnie, a smak mieszaniny nie zmienia się na kwaśny. Wyjaśnij, co może być tego przyczyną.
5. Grzyby Penicillium w służbie medycyny
Szczególną rolę w leczeniu śmiertelnych chorób bakteryjnych odegrała przemysłowa produkcja naturalnych antybiotykówantybiotyków. Pierwszy antybiotyk – penicylina – został odkryty przypadkowo w 1928 r. Alexander FlemingAlexander Fleming hodował bardzo groźne bakterie gronkowca. Pewnego razu zapomniał nakryć hodowlę wieczkiem. Po powrocie do laboratorium zobaczył, że na szalce pojawiła się zielono‑niebieska pleśń, wokół której nie było kolonii bakterii. Fleming wywnioskował, że pleśń wydziela substancję bakteriobójczą. Pleśnią, która zahamowała rozwój bakterii, okazał się grzyb z rodzaju Penicillium (pędzlak). Wyizolowany z grzyba ekstrakt otrzymał nazwę penicylinapenicylina. Odkrycie to miało przełomowe znaczenie, gdyż do momentu zastosowania pierwszego antybiotyku każde, nawet niewielkie skaleczenie, mogło doprowadzić do konieczności amputacji zainfekowanej kończyny lub śmierci, a gruźlica i choroby weneryczne zbierały ogromne żniwo. Wraz z możliwością produkcji antybiotyków wiele chorób bakteryjnych przestało być uznawanych za groźne.
Grzyby z rodzaju Penicillium wykorzystywane są do produkcji serów pleśniowych.
6. Mikroorganizmy jako broń biologiczna
Biotechnologia znajduje zastosowanie również w produkcji broni biologicznejbroni biologicznej. Pozwala stworzyć lub wyselekcjonować szczepy bardzo zakaźnych bakterii lub wirusów zdolnych do wywołania ciężkich chorób. Ładunek bojowy mogą stanowić na przykład laseczki wąglika lub wirusy ospy prawdziwej. Śmiertelność u osób nieszczepionych, zakażonych ospą prawdziwą, wynosi aż 80%, dlatego wywołujące je czynniki mogą być skuteczną bronią biologiczną. Obecnie próbki ospy prawdziwej są przechowywane na wypadek powrotu epidemii i konieczności wytworzenia szczepionek w specjalnych warunkach. Znajdują się tylko w 2 miejscach na świecie: Instytucie Preparatów Wirusowych w Moskwie oraz Centrum Kontroli Chorób w Atlancie. Nie wiadomo natomiast, czy nikt inny ich nie posiada. Ostatnio wirusy tej groźnej choroby zostały znalezione w 2003 r. w Nowym Meksyku, w kopercie włożonej między karty książki medycznej.
Wyszukaj w dowolnych źródłach informacje, w jaki sposób doprowadzono do tego, że ospa prawdziwa przestała zagrażać ludzkości.
W XVIII w. przez Europę przetoczyła się epidemia ospy prawdziwej zwanej czarną. Zmarło wtedy blisko 60 mln ludzi. W Polsce choroba pojawiła się ostatni raz w 1963 r. we Wrocławiu, a przywieziona została z Indii.
7. Zastosowanie mikroorganizmów w przemyśle górniczym
W górnictwie wykorzystywane są bakterie, które mają zdolność wymywania (wyekstrahowania) różnych pierwiastków z ubogich rud metali. Dla drobnoustrojów używanych w tych procesach źródłem energii mogą być związki nieorganiczne, np. siarczki metali obecne w rudzie. W trakcie metabolizmu wytwarzają duże ilości kwasu, za pomocą którego odzyskuje się metale. Technikę tę stosuje się przede wszystkim do pozyskiwania bardzo cennych pierwiastków – opłacalne jest nawet przetwarzanie pozostałości po tradycyjnym kopalnictwie. W Australii i USA w procesie bioługowania uzyskuje się uran i miedź. Surowcem są odpady z kopalni i hut.
Podsumowanie
Biotechnologia znajduje zastosowanie w produkcji żywności, rolnictwie, medycynie, produkcji przemysłowej i ochronie środowiska.
Wiele produktów spożywczych jest wytwarzanych dzięki procesom biologicznym, głównie fermentacji.
Najczęściej stosowane w biotechnologii tradycyjnej mikroorganizmy to bakterie i grzyby.
Pierwszy antybiotyk, penicylina, został pozyskany z grzyba i uratował życie tysiącom ludzi.
Dzięki bakteriom możliwe jest pozyskiwanie metali z odpadów kopalnianych.
1. Załóż hodowlę bakterii mlekowych w mleku świeżym, pasteryzowanym i UHT. Porównaj zmiany zachodzące w próbkach i wyjaśnij różnice.
2. Znajdź w sklepie produkty spożywcze wytworzone przy udziale mikroorganizmów. Wynotuj ich nazwy oraz nazwy drobnoustrojów użytych do produkcji tych artykułów.
Słowniczek
substancje powodujące zniszczenie lub uszkodzenie komórek bakterii
interdyscyplinarna dziedzina nauki zajmująca się badaniem procesów zachodzących przy udziale mikroorganizmów, wirusów i składników komórek oraz wykorzystywaniem tych procesów do produkcji określonych substancji w przemyśle i medycynie
broń masowego rażenia, którą stanowią niebezpieczne dla człowieka mikroorganizmy (np. wirusy, bakterie)
Aleksander Fleming
Był szkockim lekarzem i mikrobiologiem. W roku 1945 został uhonorowany nagrodą Nobla za odkrycie antybiotyku penicyliny.
metoda konserwacji żywności wykorzystująca bakterie fermentacji mlekowej rozkładające cukry proste do kwasu mlekowego
naturalny antybiotyk wyizolowany z grzyba Penicillium przez Aleksandra Fleminga
żywe mikroorganizmy, które po spożyciu wykazują korzystne działanie w organizmie człowieka
w mikrobiologii proces mechaniczny, chemiczny lub fizyczny prowadzący do wyeliminowania drobnoustrojów wraz z ich formami przetrwalnikowymi
Zadania
Oceń poprawność zdań i zaznacz odpowiedź Prawda lub Fałsz.
| Prawda | Fałsz | |
| Zielona biotechnologia zajmuje się wykorzystaniem mikroorganizmów w przemyśle. | □ | □ |
| Zastosowaniem biotechnologii w rolnictwie zajmuje się dział zielonej biotechnologii. | □ | □ |
| Czerwona biotechnologia wykorzystuje mikroorganizmy do produkcji leków. | □ | □ |
| Przypisanie kolorów działom biotechnologii zawdzięczamy Stanom Zjednoczonym. | □ | □ |
Połącz w pary procesy technologiczne i używane w nich mikroorganizmy.
fermentacja piwa, wytwarzanie probiotyków, produkcja broni biologicznej, produkcja antybiotyków
| bakterie fermentacji mlekowej | |
| pędzlak | |
| wirus ospy prawdziwej | |
| drożdże |
Oceń poprawność zdań i zaznacz odpowiedź Prawda lub Fałsz.
| Prawda | Fałsz | |
| Mikroorganizmy były wykorzystywane do produkcji żywności już 6 000 lat p.n.e. | □ | □ |
| Zarówno bakterie, jak i wirusy mogą służyć jako broń biologiczna. | □ | □ |
| Probiotyki to substancje chemiczne stosowane w medycynie. | □ | □ |
| Pierwszy naturalny antybiotyk został odkryty w XIX wieku. | □ | □ |
Oceń poprawność zdań i zaznacz odpowiedź Prawda lub Fałsz.
| Prawda | Fałsz | |
| Kwas mlekowy ma właściwości konserwujące, ponieważ podwyższa pH środowiska. | □ | □ |
| Na wielu owocach spotykamy drożdże występujące naturalnie. | □ | □ |
| Brzeczka piwna zawiera enzymy. | □ | □ |
| Drożdże piwne produkują alkohol i dwutlenek węgla. | □ | □ |
Wskaż zdania prawdziwe.
- Penicylina uratowała życie wielu rannym żołnierzom.
- Przed odkryciem penicyliny były dostępne inne antybiotyki.
- Penicillium to łacińska nazwa grzyba pędzlaka.
- Penicylinę stosuje się w leczeniu zakażeń spowodowanych wirusami.