מבוא לביוטכנולוגיה-הרצאה 1

1. מבוא לביוטכנולוגיה הרצאה 1 רים עבוד

2. מבוא לביוטכנולוגיה- סילבוס • סקירה של תהליכים ביוטכנולוגיים אופיניים. • עקרונות ומטרות בתהליכים ביוטכנולוגיים. • שיטות לגידול מיקרואורגניזמים ותאים. • תכנון חומרים, ציוד ומכשור במערכת גידול. • תופעות מעבר במערכות ביולוגיות . • אנזימולוגיה במזון . • ביוטכנולוגיה תעשייתית . • חידושים בביוטכנולוגיה –הנדסה גנטית .

3. מהי ביוטכנולוגיה ?

4. מה משותף ל: • בצק שמרים • אבקת כביסה • יין • בירה • חיסון כנגד צהבת • קביעת אבהות • ותרופה כנגד סרטן

5. כולם תוצרים של ביוטכנולוגיה!!! ביוטכולוגיה – תחום התורם לפתרונם של צרכים ובעיות מגוונות בעזרת מידע ביולוגי.

6. מהי ביוטכנולוגיה ? • הביוטכנולוגיה עוסקת בניצול מערכת ביולוגית לייצור או לאנליזה בתעשייה, ברפואה, ובחקלאות . • על מנת שניתן יהיה להשתמש ביעילות במערכת הביולוגית, ברמה התאית או המולקולרית, על הביוטכנולוגיה להתבסס על ידע בתחומים רבים.

7. ביוטכנולוגיה מדע בין תחומי • מדעי החיים -ביוכימיה, מיקרוביולוגיה, גנטיקה, אימונולוגיה. • כימיה – הפרדות, אנליזה, זיהוי מבנים. • הנדסה – פיתוח מתקני ייצור ,מעבר מהמעבדה אל התעשייה ("גימלון"). • כלכלה/מנהל עסקים– עמידה במבחן הרווחיות של כל תהליך ביוטכנולוגי, בכל תהליך ייצור.

8. במה נבדל תהליך ביוטכנולוגי מתהליך כימי ? • שימוש ביצורים חיים . • רמות ניקיון גבוהות (לרוב) . • עבודה בתנאים "עדינים".

9. השוואה בין תעשייה כימית לביוטכנולוגית • תעשייה ביוטכנולוגית • אמצעי הייצור ביולוגיים(תאים חיים, מיקרואורגניזמים, חומר ביולוגי). • תהליכים המתבצעים בטמפ' נמוכות (25-40 מעלות) . • התהליכים פשוטים וזולים יחסית . • שימוש בחומרים טבעיים וידידותיים לסביבה ולאדם . • לא מייצרת פסולת רעילה . • התהליכים לא תמיד ידועים לאדם וייתכנו שינויים וסטיות אם יש שינוי בתנאי החיים של הייצרנים . • הוצאות נמוכות יותר-פחות כוח אדם . • תעשייה כימית • אמצעי הייצור תעשייתיים (מכונות, תנורים, שיטות כימיות). • תהליכים מתבצעים בטמפ' גבוהות(200-400 מעלות). • התהליכים מורכבים ויקרים • שימוש בחומרים מסוכנים לאדם ולסביבה. • מייצרת פסולת רעילה. • התהליכים ידועים בדוקים ומוכחים ,יש דיוק ,בקרה ושחזור מדויק. • הוצאות כבדות –דורש הרבה כוח אדם .

10. המוצרים בתעשייה הביוטכנולוגית לעומת התעשייה הכימית בתעשייה הכימית: בתעשיית הביוטכנולוגית: תרופות רקומביננטיות: >$20,000/g לדוגמא: 5mg של hGH (הורמון גדילה) = $100 מולקולות אורגניות: $5-$10/g ביופולימרים: $1-$5/g תוספי מזון: <$1/g $100 / 0.005 g = $20,000 / g

11. העקרונות של תהליך ייצור תוצר ביוטכנולוגי • התוצר יוצר ע"י תא חי או באמצעות חומר ביולוגי . • התוצר טבעי (לא סינטטי-כימי) . • התוצר שימושי לאדם . • התוצר רווחי – כלכלית לחברה או למפעל המייצר. • התוצר משווק בכמות מסחרית . • התוצר איכותי יותר .

12. תהליכים ביוטכנולוגיים במפעלים • תהליך תעשייתי בנוי משלושה שלבים עיקריים: חומרי גלם והכנתם תוצר לוואי ופסולת מתקן הייצור שיווק התוצר הפקת תוצרים

13. תהליך ייצור ביוטכנולוגי יתרונות גורמים מגבילים • 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 • 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 • pH ומליחות – 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.

14. שטחי הפעילות העיקריים בביוטכנולוגיה המודרנית • ביוקטליזה:השימוש באנזימים ובמערכות אנזימטיות לשם זירוז תגובות כימיות . • תהליכי תסיסה (Fermentation): ייצור תרופות, תוספי מזון וביוכימיקלים על ידי מיקרואורגניזמים כגון חיידקים ושמרים. • ייצור נוגדנים (אימונודיאגנוסטיקה) משתמשים בהם למטרות רפואיות (אבחון, ריפוי והכוונת תרופות) ואחרות (כגון תהליכי הפרדה). • 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 • תרביות תאים מבעלי-חיים ומצמחים :יצירת תרופות ותכשירי חיסון והחדרת שינויים מוכוונים בצמחים ובבעלי-חיים.

15. השלבים החשובים בפיתוח הביוטכנולוגי • 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... • שיפור אפשריות הזיהוי, ההפקה, ההפרדה והשימוש המבוקר של מרכיבים שונים של תאים ושל רקמות ביולוגיות כמו אנזימים וחלבונים .

16. השלב האחרון • שלב הביוטכנולוגיה "המודרנית" שהיא 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 ה- 70

17. מטלה חפש באמצעות אתרי אינטרנט שימוש ביוטכנולוגי לפתרון בעיה. א. מה הבעיה? ב. מה הם הפתרונות האפשריים? ג. איזה מבין הפתרונות הוא ביוטכנולוגי? נמק!