ENVIRO BT II

1
ENVIRO - BT II

• MORSKÉ BIOTECHNOLÓGIE modré,
• BIOMINING, BIOPROCESSING
• a BIOSENSORING

2
LCD z morskej vody...

• Bioredukcia Se a Te

3
BT produkcia fotosyntetických rias

• G-linolová kyselina Chlorella sp.
• Kys. palmitová Phormidium sp.
• Kys. dokozahexonová I. galbana
• EPA GM Synechococcus sp.
• Polysacharidy Aphanocapsa halophytia
• Glutamát a pycocyanin Synechococcus sp.
• UVA abs. glukozid Oschillatoria sp.
• ATB Chlorella sp.
• Reg. fytohormóny,
• TK inhibítor a SOD Synechococcus sp.
• Vodík Chromatium sp.

4
Biosyntéza EPA

• Synechococcus sp.

5
UVA filter - BG

• Oscillatoria sp. Biopterin glukozid

6
BIOMINING a BIOMETALURGIA

• BIOMETALURGIA extrakcia kovov z rudy,
• sedimentov alebo
  odpadu
• A) Síru Redukujúce Baktérie - SRB
• Thiobacullus ferooxidans Colmer a Hinkle, 1947
• Tento chemolitotrof dnes taí takmer 50
  produkcie Cu
• Geobacter sulfurreducens cistí uhlie s obsahom
  S
• B) DIsimiláciou Redukujúce Baktérie DIRB
• Sulfurospirillum barnesii redukujú FeIII, TcVII,
• Pyrobaculum islandicum CrVI, CoIII a AsV

Viac na www.ineel.gov Idaho National Eng.
Env. Laboratory
7
INEEL RD

• Acid Mine Drainage
• Biohydrometallurgy Bioleaching of Metals from
  Sulfide Minerals
• Biological Reduction of Metals
• Using Microbes to Process Coal
• Cyanide Degradation in Tailings Ponds by
  Stimulating Indigenous Microorganisms
• Evaluation of Thermophilic Bacteria for Sulfide
  Mineral Heap Leaching

8
KOLOBEH ARZÉNU

• DIRB
• AsV(N)
• AsIII(R)
• SRB
• AsIII(R)
• AsV(N)

ars lux prvý BIOSENZOR v E. coli
(Corbisier, 1993) !
9
INTERAKCIE MO s KOVMI

• BIOREDUKCIA
• BIOSORBCIA

• BIOMINERALIZÁCIA
• BIOCHELATÁCIA

Biosorpcia
Biochelatácia
Biomineralizácia
Enzýmami katalyzovaná bioredukcia
10
BIOMINERALIZÁCIA

• BIOPRECIPITÁCIA sulfátov alebo fosfátov
• SULFÁTY E. coli tiosulfát reduktázou
• S. enterica z tiosulfátov
  CdS
• Kl. planticola detto
  anaeróbne
• B) FOSFÁTY Acinetobacter johnsonii polyfosfáty
• Citrobacter sp.
  kyslou fosfatázou
• z glycerol-2-P energia na
  syntézu LPS
• mineralizuje aj urán a
  kadmium!

11
BIOCHELATÁCIA

• Pseudomonas aeruginosa a P. putida
• cistenie ionomenicovej Ni kolóny
• EDTA v kmeni DSM9103 Fe, Ca, Cu, Mg
• Tento kmen je aeróbny, gram-variabilný,
  mikroorganizmus tycinkového tvaru, bliie
  neucený, pochádza z tradicného fermentovaného
  kórejského jedla. Výsledky rôznych taxonomických
  túdií ukázali jeho príbuznost s Bacillus
  jeotgali JCM 10885T.
• GM rastliny pre znicené a kontaminované pôdy
  tolerancia ku Al citrát vylucujú do pôdy
  korenovým systémom.

12
BIOPROCESSING
INEEL Opracovanie uhlia obsahujúceho sulfidy
pomocou SRB. Tieto solubilizujú pyrit aj
arzenopyrit po opracovaní sa spaluje cistý uhlík.
tyriaková a tyriak Redukcia a extrakcia Fe a
Al z Kaolínovej rudy pomocou Bacillus cereus
(UK,2000)
13
DETOXIFIKÁCIA RÁDIONUKLIDOV

• Geobacter metalireducens
• U(VI) e-
• Akumulácia uránu v
• periplazme bunky
• DIRB
• Deinococcus radiodurans antrachinón e-U, Tc, Cr
• Shewanella putrefaciens 237Np (V) 237Np(IV)
• Vetky DIRB majú velmi úcinné reparacné
  mechanizmy na opravy oiarenej DNA!

14
DETOXIFIKÁCIA TAKÝCH KOVOV

• Tolerancia a spôsoby detoxifikácie
• Príjem a výdaj aktívny efflux Zn, Co, Cd
• Akumulácia a transformácia
• Cu kompartmentalizácia P. syringae
• As kolobeh SRB a DIRB
• Te bioredukcia
• írenie tolerancie a rezistencie
• ter operón na PAI a konjugatívnych plazmidoch
  patogénov E. coli O157H7

15
DETOXIFIKÁCIA TK a BIOSENZORY
Príklad biosenzora na TK Lokus chrAB vo fúzii s
lux Detekuje Cr, Mo, As Lokus cnr ABC Detekuje
Co, Ni, Mn,Cu,Cd,Zn Al
16
BIOREDUKCIA KOVOV
Galionella, Leptothrix, Siderococcus, Siderocystis
Toxothrix a Thiobacillus redukujú Mn, Fe a iné
kovy
AKO VZNIKLI ZLATÉ NUGETY? Pedomicrobium
sp. J.Watterson, 1992
17
KOLOBEH ORTUTI v PRÍRODE
Hgo
HgCl2 alebo CH3Hg
18
mer OPERÓN a BIOSENZORY
BIOSENZORY Lux Luc Lac aj GFP V E. coli, P.
putida B. subtilis ALE AJ A. thaliana
Pozri v knihe alebo na WEB.UTK.EDU/CEBWEB/CEBFIN
AL.HTML
19
Ked je remediácia tabou -Hg

• Získavanie ortuti z odpadovej vody
• po chlóralkalickej elektrolýze
• Pseudomonas sp.

700 l reaktor získa spät 31,5kg 95 úcinnost
20
mer OPERÓN a FYTOREMEDIÁCIE

• Arabidopsis thaliana
• Bioredukcia na Hg0, potom respirácia

21
BIOSENZORY V MEDICÍNE

• Vyuitie biologických systémov detekcie patogénov
  alebo nádorov
• BIOSENZOR pecifický a citlivý nmol / ng

22
SCHÉMA BIOSENZOROV
BIORECEPTOR
PREVODNÍK
VÝSTUP - MERANIE
23
PRINCÍP BIOSENZOROV

• Biokatalytické biosenzory vyuívajú enzýmy ako
  katalyzátory reakcií, pricom sa meria úbytok
  substrátu alebo nárast produktu napr. meranie
  kyslíka pri redox reakcii
• Afinitné biosenzory sú zaloené na interakcii
  receptora a ligandu, antigénu a protilátky, alebo
  väzby RNA-DNA na základe komplementarity, napr.
  DNA mikroarray

24
IMOBILIZÁCIA BIORECEPTOROV

• Adsorbcia alebo enkapsulácia
• Kovalentná väzba na biopolyméry alebo
• syntetické
  polyméry
• Langmuirova-Blodgettova metóda biofilm
  monovrstva protilátok naviazaná na MK
• Imobilizácia na kov

25
PREVODNÍKY BIOSENZOROV
26
ELEKTROCHEMICKÉ BIOSENZORY

• Potenciometrické pH H3O, CO2 al. ión
• selektívne
  elektródy
• Amperometrické Clarkova kyslíková elektr.
• Konduktometrické zmena kapacitancie al.
• odporu napr. Hg2

ISFET iónovo selektívny tranzistor riadený el.
polom
27
OPTICKÉ BIOSENZORY

• Elipsometria zmena reflexie, n
• SPR Surface plasmon resonance
• TIRF - Total Internal Reflection Fluorescence
• (merajú osciláciu al. excitáciu
  elektrónov)
• IOGC Integrated Optical Granting Coupler
• Rezonancné zrkladlo
• Optické vlákno
• Elektochemiluminiscencia

28
Príklady optických princípov

ELIPSOMETRIA
SPR alebo TIRF
IOGC Int. Optická spájacia mrieka a
Optické vlákno
29
PIEZOELEKTRICKÉ BIOSENZORY

• Meria zmenu prirodzenej frekvencie vibrácie
  krytálov kremen, turmalín, BaTiO2 Základná
  frekvencia 9-14 MHz
• 1 ng zmení frekvenciu o 1 Hz

QCM Quarz Crystal Microbalance SAW- Surface
Acoustic Wave
30
AFINITNÉ BIOSENZORY I

• Na báze väzby protilátka antigén
• Niekedy sa vyuíva aj Phage-display

PRÍKLAD detekcia enterotoxínov zo Salmonel a E.
coli do 10 min
31
AFINITNÉ BIOSENZORY II

• Na báze väzby DNA RNA

32
Spóry ako NANODETEKTOR

• Na detekciu Bacillus anthracis
• LEXSAS retazová reakcia indukovaných
• spór vytvára fluorescencný
  signál

33
DYCHOVÝ BIOSENZOR

• Na detekciu Mycobacterium tuberculosis
• RBS Rapid Biosensor Systems, Cambridge
• Podobne aj SARS-CoV a ostané koronavírusy
• Sampath a kol. 2005

34
Prehlad biosenzorov pre FBP
Podla Rand a kol., 2002 Optical Biosensors for
Food Pathogens www.foresight.org/Conferences/MNT
8/Papers/Wilson/
35
BIOSENZORY v BIOMEDICÍNE

• Detekcia rakovinových buniek
• CEA-Scan r-monoklonálna protilátka
• Detekcia chromozonálnych anomálií
• Predikcia dedicných foriem rakoviny
• FONA predikcia miechovo-svalovej
• atrofie ap.
• Viac budúci semester v kurze
• BIOTECHNOLOGIE a BIOMEDICÍNA...