Biotechnologia tradycyjna

R1JZStUo4qwd9

Zdjęcie przedstawia butelkę różowego wina w smukłej, pociągłej butelce, zakończonej niebieskim korkiem i dwóch, podłużnych, żółtych bagietek, obok których widoczne są czerwone pomidorki koktajlowe w brązowej misce oraz pięć, jasno‑brązowych korków.

1. Biotechnologia

BiotechnologiabiotechnologiaBiotechnologia jest interdyscyplinarną nauką, która bada i opracowuje różne sposoby wykorzystania materiałów i procesów biologicznych na skalę przemysłową. Biotechnologię dzieli się na biotechnologię tradycyjną (klasyczną) i molekularną (nowoczesną).

RRxv2uTV9yfZS

Grafika przedstawia umieszczony w środku napis biotechnologia, od prawej strony odchodzą kolejne napisy w podanej kolejności: informatyka, inżynieria, matematyka, fizyka, ekonomia, chemia, biochemia, genetyka, mikrobiologia, ekologia, biologia komórki.

W tradycyjnej biotechnologii do produkcji żywności lub leków wykorzystuje się organizmy bez wprowadzenia zmian w ich genach. Biotechnologia molekularna natomiast dostosowuje organizmy do potrzeb produkcyjnych poprzez wprowadzanie zmian w ich genomie.

Ze względu na obszary, w których biotechnologia znajduje zastosowanie, podzielono ją na kategorie opisane kolorami. Klasyfikacja ta została zaproponowana przez Organizację Współpracy Gospodarczej i Rozwoju przy udziale Unii Europejskiej.

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, na przykład odporne na choroby grzybicze i bakteryjne. Niektóre rośliny, jak soja i kukurydza, zostały wyposażone w gen odporności na środki chwastobójcze.

Biotechnologia czerwona jest wykorzystywana w medycynie do produkcji nowych leków (biofarmaceutyków) i rozwoju diagnostyki genetycznej. Obecnie większość biofarmaceutyków jest wytwarzana przy udziale genetycznie zmodyfikowanych bakterii E. coli czy drożdży S. cerevisiae. Biofarmaceutyki stosuje się m.in. w leczeniu niepłodności, cukrzycy, niskorosłości, niedokrwistości.

Biotechnologia niebieska zajmuje się badaniem akwenów wodnych i wykorzystywaniem zasobów morskich w celach przemysłowych.

Biotechnologia biała znajduje zastosowanie w produkcji przemysłowej. 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 fioletowa zajmuje się aspektami prawnymi i etycznymi. Porządkuje przepisy i inne regulacje prawne, patenty, wdrożenia oraz publikacje.

Więcej informacji o biotechnologii znajdziesz w e‑materiale: Biotechnologia – nauka interdyscyplinarnahttps://zpe.gov.pl/b/biotechnologia–nauka-interdyscyplinarna/PhMjOEh8tBiotechnologia – nauka interdyscyplinarna.

2. Biotechnologia tradycyjna w przemyśle spożywczym

Podstawowymi procesami wykorzystywanymi w biotechnologii tradycyjnej do produkcji produktów spożywczych są fermentacja mlekowa i fermentacja alkoholowa.

Fermentacja mlekowa

Fermentacja mlekowa jest procesem przekształcania cukrów (węglowodanów) w kwas mlekowy, który powoduje denaturację kazeiny, białka obecnego w mleku. Jest przeprowadzana przez bakterie kwasu mlekowego.

Fermentacja mlekowa wykorzystywana jest do produkcji kiszonek oraz przetworów mlecznych.

KiszeniekiszenieKiszenie 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, 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.

R1UNi91G0LoQc

Zdjęcie przedstawia przeźroczyste słoiki z metalowych zamknięciem, w środku których znajdują się okrągłe, zielono‑czerwono‑żółte, kiszone, warzywa i owoce, stojące na drewnianym stole. Obok słoików znajdują się pomidory na gałązce i fioletowe warzywo.

R1LaNPNOtCgJ3

Fotografia przedstawia naczynie z czterema żółtozielonymi, kiszonymi ogórkami w zalewie. Na nich leżą gałązki kopru. Na powierzchni płynu znajdują się niewielkie skupienia białej piany.

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 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.

1

Ćwiczenie 2

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. Odstaw słoik w ciepłe miejsce na 5 dni.

RbA0r2sGT7Yuc

Zdjęcie przedstawia kwas buraczany zamknięty szczelnie w słoiku. Płyn ma kolor ciemnobordowy. U góry widać spienienie.

R18SsJRuUPQ2C

(Uzupełnij).

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Zastanów się, jakie mikroorganizmy biorą udział w fermentacji mlekowej.

Pokaż odpowiedź

Buraki należy zalać letnią wodą i trzymać w cieple, ponieważ w fermentacji mlekowej biorą udział bakterie kwasu mlekowego, którym należy zapewnić odpowiednie warunku. Nie będą się one odpowiednio rozwijać w zbyt zimnej lub w zbyt gorącej wodzie. Nieodpowiednie temperatura może nawet doprowadzić do ich śmierci, przez co proces fermentacji nie zajdzie.

Fermentacja alkoholowa

Fermentacja alkoholowa jest procesem polegającym na rozkładzie cukrów do etanolu i dwutlenku węgla. Przeprowadzana jest przez drożdże. Stosuje się ją do produkcji napojów alkoholowych oraz pieczywa.

R1RHZOrs6sNqx

Zdjęcie przedstawia dwa kieliszki. Jeden zawiera białe wino, a drugi czerwone. W tle widoczne są białe i fioletowe winogrona, butelki wina i jasna, drewniana beczka.

Dla zainteresowanych

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 a później wysuszone 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, sterylizacjęsterylizacjasterylizację 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.

R1TaKNvgE7p8f

Ilustracja przedstawia kolejne etapy produkcji piwa. Na początku słód zalewany jest gorącą wodą i powstała w ten sposób ciecz jest następnie zacierana. Otrzymuje się w ten sposób zacier, który po odfiltrowaniu nazywa się brzeczką piwną. Do niej dodaje się chmiel, a następnie warzy. Kolejnym etapem jest usuwanie zanieczyszczeń z płynu oraz jego chłodzenie. Do tak przygotowanej brzeczki dodaje się drożdże, dzięki czemu zachodzi proces fermentacji. W fermentorze odbywa się również leżakowanie piwa. Końcowym etapem jest przelanie płynu do butelek lub beczek keg.

RR57q37SxETyq

Fotografia przedstawia wnętrze browaru. Na pierwszym planie duże metalowe urządzenie o miedzianym kolorze z wieloma, podłużnymi kominami. Jest to kocioł warzelny.

Miejscem, w którym wykorzystuje się proces fermentacji alkoholowej, 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 drożdże i bakterie kwasu mlekowego. Jego przygotowanie polega na poddaniu mąki procesowi fermentacji. Miesza się ją z wodą, przykrywa i odstawia na kilka dni w ciepłe, zacienione miejsce. Tak przygotowany zakwas dodaje się do mąki żytniej w celu spulchnienia ciasta i nadania mu wyrazistego kwaśnego smaku.

R18eIeQBPL9Sk

Fotografia przedstawia błyszczące naczynie z białą, okrągłą masą zaczynu ciasta drożdżowego.

3. Biotechnologia tradycyjna w przemyśle farmaceutycznym

Metody biotechnologii tradycyjnej służą do produkcji leków biotechnologicznych (biofarmaceutyków). Biofarmaceutyki to głównie polipeptydy i białka otrzymywane z wykorzystaniem metod biotechnologicznych.

Szczególną rolę w leczeniu śmiertelnych chorób bakteryjnych odegrała przemysłowa produkcja naturalnych antybiotykówantybiotykiantybiotyków.

R8Img3tbKQAur1

Fotografia przedstawia szalkę Petriego z szaro‑białymi plamami na brązowym tle. Te plamy to hodowla grzyba pleśniowego pędzlaka, która rośnie na brązowej pożywce. Grzyb rośnie w okrągłych koloniach, które w środkowej części są szare, a im bliżej jego zewnętrznej krawędzi, tym staje się bielszy.

Pierwszy antybiotyk – penicylinapenicylinapenicylina – został odkryty przypadkowo w 1928 r. Aleksander FlemingAleksander FlemingAleksander 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 wydziela ona substancję bakteriobójczą. Pleśnią, która zahamowała rozwój bakterii, okazał się grzyb z rodzaju Penicillium (pędzlak). Wyizolowany z grzyba ekstrakt otrzymał nazwę penicylina. 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 przenoszone drogą płciową zbierały ogromne żniwo.

Po odkryciu produkowanej przez pleśniaka penicyliny E. B. Chain i H. W. Florey opracowali przemysłową metodę jej wytwarzania i oczyszczania. Otrzymaną w ten sposób penicylinę szybko wprowadzono do leczenia chorób bakteryjnych, łatwo rozprzestrzeniających się w warunkach wojennych.

Wkrótce potem, w 1944 r. S. A. Waksman, mikrobiolog ukraińskiego pochodzenia, wykrył streptomycynę wytwarzaną przez bakterie Streptomyces griseus i udowodnił, że jest ona skutecznym lekiem przeciwgruźliczym. W ciągu zaledwie paru lat dzięki biotechnologii medycyna dysponowała już kilkudziesięcioma nowymi antybiotykami często ratującymi ludziom życie.

Wraz z możliwością produkcji antybiotyków wiele chorób bakteryjnych przestało być uznawanych za groźne.

Największą grupą biofarmaceutyków są hormony. Pierwszym hormonem, jaki wprowadzono na rynek, była ludzka insulina otrzymana w komórkach pałeczki okrężnicy. Służy ona do leczenia cukrzycy typu 1. Następnie wprowadzono inne leki zawierające hormony: ludzki hormon wzrostu do leczenia niskorosłości u dzieci, erytropoetynę do leczenia anemii, tyreotropinę stosowaną u pacjentów poddanych operacji usunięcia tarczycy z powodu nowotworów czy hormon folikulotropowy stosowany w leczeniu niepłodności.

Więcej informacji o zastosowaniach biotechnologii tradycyjnej w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym znajdziesz w e‑materiale:

• Metody biotechnologii tradycyjnejPYOIYwgPsMetody biotechnologii tradycyjnej

• Zastosowania biotechnologii tradycyjnej w przemyśleP98afwoP1Zastosowania biotechnologii tradycyjnej w przemyśle

4. Biotechnologia tradycyjna w rolnictwie

Pierwszymi formami gospodarki były zbieractwo i łowiectwo, które następnie zaczęły ustępować miejsca uprawie roślin i hodowli zwierząt, ponieważ były bardziej wydajne. Działalność związaną z uprawą roślin i hodowlą zwierząt można dziś określić jako biotechnologię. Możemy naukowo rozpoznać i nazwać mechanizmy z początków działalności rolniczej, jak choćby dokonywanie selekcji sztucznej spośród różnorodnych osobników. Polega ona na wybieraniu spośród naturalnie występujących w przyrodzie gatunków tych, które dają największe korzyści, a następnie odpowiednim ich krzyżowaniu.

W przypadku hodowli i pasterstwa nasi przodkowie zapędzali dzikie zwierzęta na ogrodzony teren. Kolejne pokolenia zwierząt wydawały potomstwo, spośród którego człowiek wybierał osobniki przedstawiające największą wartość, np. były szczególnie duże, i krzyżował je ze sobą.

Biotechnologia tradycyjna jest wykorzystywana w rolnictwie także do produkcji środków ochrony roślin (biopestycydów) i stymulatorów wzrostu oraz plonowania roślin. Biopestycydy zawierają mikroorganizmy, które stosowane są do zwalczania szkodników i pasożytów roślin: owadów, chwastów i grzybów. Do produkcji biopestycydów zwykle używa się gatunków bakterii z rodzaju Bacillus, np. Bacillus thuringiensis, który wytwarza białka wywołujące śmierć larw owadów. Stymulatory wzrostu i plonowania roślin zawierają bakterie, które są zdolne do produkcji fitohormonów (np. Rhizobium) lub wiążą azot atmosferyczny (np. Azotobacter) i dostarczają go roślinie. Pomagają wykorzystywać dostępne substraty odżywcze, chronią przed patogenami oraz wytwarzają związki stymulujące wzrost i plonowanie roślin.

5. Biotechnologia tradycyjna w ochronie środowiska

Biotechnologię tradycyjną stosuje się do biologicznego oczyszczania ścieków, produkcji biopaliw i biodegradowalnych polimerów.

Biologiczne oczyszczanie ścieków polega na rozkładzie substancji organicznych do dwutlenku węgla, wody i amoniaku oraz usuwaniu azotu i fosforu. Przeprowadza się je zwykle w warunkach tlenowych w specjalnych komorach zawierających gęstą zawiesinę drobnoustrojów.

BiopaliwabiopaliwaBiopaliwa to gazy, które można wykorzystywać jako paliwa do ogrzewania budynków. Są wytwarzane z odpadów przemysłu rolniczego (np. słoma, odchody zwierząt), spożywczego (np. melasa), papierniczego i ściekowego.

Polimery biodegradowalne służą do produkcji opakowań jednorazowego użytku. Są szybko rozkładane przez mikroorganizmy.

Więcej informacji o zastosowaniach biotechnologii tradycyjnej w rolnictwie i ochronie środowiska znajdziesz w e‑materiałach:

• Biotechnologia w ochronie środowiskaP1AssoXTmBiotechnologia w ochronie środowiska

• Zastosowania biotechnologii tradycyjnej w rolnictwie i ochronie środowiskaP98afwoP1Zastosowania biotechnologii tradycyjnej w rolnictwie i ochronie środowiska

6. Inne zastosowania biotechnologii tradycyjnej

Mikroorganizmy i czynniki zakaźne jako broń biologiczna

Biotechnologia znajduje zastosowanie również w produkcji broni biologicznejbroń biologicznabroni 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 i zakażonych ospą prawdziwą, wynosi aż 80%, dlatego wywołujące je czynniki mogą być skuteczną bronią biologiczną. W 2020 r. minęło 40 lat od ogłoszenia jednego z największych sukcesów medycznych w historii ludzkości- eradykacjieradykcja chorobyeradykacji ospy prawdziwej, czyli całkowitego wyeliminowania zachorowań. Obecnie, w specjalnych warunkach, próbki ospy prawdziwej są przechowywane na wypadek powrotu epidemii i konieczności wytworzenia szczepionek. 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.

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 bioługowaniabioługowaniebioługowania uzyskuje się uran i miedź. Surowcem są odpady z kopalni i hut.

Podsumowanie

• Biotechnologia to dyscyplina naukowa zajmująca się wykorzystaniem mikroorganizmów lub ich składników na skalę przemysłową.

• Biotechnologia dzieli się na biotechnologię tradycyjną i biotechnologię molekularną. W biotechnologii tradycyjnej wykorzystuje się mikroorganizmy występujące naturalnie, natomiast w biotechnologii molekularnej - mikroorganizmy mające materiał genetyczny zmodyfikowany z wykorzystaniem technik inżynierii genetycznej.

• Biotechnologia tradycyjna znajduje zastosowanie w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym, rolnictwie i ochronie środowiska.

• Wiele produktów spożywczych jest wytwarzanych dzięki procesom biologicznym, głównie fermentacji. Fermentację mlekową stosuje się do produkcji kiszonek i produktów mlecznych, a fermentację alkoholową - do produkcji alkoholi i pieczywa.

• Biotechnologia tradycyjna jest stosowana do produkcji leków, np. antybiotyków, hormonów.

• W rolnictwie biotechnologię tradycyjną wykorzystuje się do produkcji biopestycydów, stymulatorów wzrostu i rozwoju roślin.

• W ochronie środowiska biotechnologia tradycyjna znalazła zastosowanie w oczyszczaniu ścieków, produkcji biopaliw i utylizacji zanieczyszczeń.

Praca domowa

Słownik

Aleksander Fleming

Aleksander Fleming

Aleksander Fleming1955.03.11Londyn, Anglia1881.08.06Lochfield, Szkocja

R18tchYLfll3E

Ilustracja przedstawia starszego mężczyznę w garniturze, okularach i zaczesanych na bok, białych włosach, o łagodnym uśmiechu. Jest to Aleksander Fleming.

Aleksander Fleming

06.08.1881 Lochfield, Szkocja – 11.03.1955 Londyn, Anglia

Był szkockim lekarzem i mikrobiologiem. W roku 1945 został uhonorowany nagrodą Nobla za odkrycie antybiotyku penicyliny.

Zadania

21

Ćwiczenie 6

RWZzDEpEMjVuC

Zdjęcie przedstawia intensywnie żółty ser. Ma on kształt okręgu, z którego został odkrojony, leżący obok, trójkąt.

R1L74731Dw0Fj

(Uzupełnij).

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Zastanów się, co było potrzebne do produkcji tego produktu spożywczego.

Pokaż odpowiedź

Proces ten to fermentacja mlekowa polegająca na przekształcaniu cukrów w kwas mlekowy, który powoduje denaturację się kazeiny, białka obecnego w mleku. Jest przeprowadzana przez bakterie kwasu mlekowego.

31

Ćwiczenie 7

Poniższe zdjęcie przedstawia od lewej: Teosinte– przodka kukurydzy zwyczajnej, następnie krzyżówkę Teosinte z kukurydzą zwyczajną oraz kukurydzę zwyczajną. Zapoznaj się z fotografią i rozwiąż ćwiczenie.

R1TBeIgdDn3Io

Na obrazie widnieją trzy fotografie. Zdjęcie po lewej stronie przedstawia cienki, brązowy, podłużny pęd, z drobnymi ziarnami. Na środku widoczna jest podłużna, wąska, kolba z niewielkimi, brązowymi ziarnami, zakończonymi jasno‑żółtym kolorem. Po stronie prawej znajduje się duża, szeroka, z dużymi, żółtymi ziarnami kolba.

RdnoMMkh3HYIL

(Uzupełnij).

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Przypomnij sobie, jakie są zastosowania biotechnologii tradycyjnej w rolnictwie.

Pokaż odpowiedź

Najprawdopodobniej kukurydza zwyczajna powstała w wyniku sztucznej selekcji i krzyżowania nasion pochodzących od osobników Teosinte o najbardziej pożądanych cechach, tj. odporność na choroby, duża plenność oraz duża zawartość składników odżywczych w jadalnych częściach.

Notatnik