Εφαρμοσμένη Βιοτεχνολογία

Φραγκίσκος Κολίσης, Ευάγγελος Τόπακας

Περιεχόμενο μαθήματος

Εισαγωγή – Βιο-οικονομία       

Βιομηχανική Βιοτεχνολογία     

Συστημική Βιολογία 

Συνθετική Βιολογία 

Συστημική Βιοτεχνολογία 

Ολιστική Ρύθμιση της λειτουργίας του κυττάρου

Στοιχεία μεταβολισμού/αναβολισμού/ κυτταρικής ενέργειας 

Σχεδιασμός και μοντελοποίηση της λειτουργίας του κυττάρου 

Γονιδιακή ρύθμιση 

Ποσοτικοποίηση της γονιδιωματικής έκφρασης

Πρωτεωμική 

Μεταβολομική/μεταβολική ρύθμιση

Μεταβολική Μηχανική

Συστημική Βιοτεχνολογία και Βιοπληροφορική

Γενετική Μηχανική

Αλληλούχηση του DNA

Βιομηχανικοί μικροοργανισμοί

Καλλιέργειες  ζωϊκών κυττάρων

Προϊόντα καλλιεργειών ζωϊκών κυττάρων

Μηχανική ιστών

Καλλιέργειες φυτικών κυττάρων

Παράδειγμα Βιοτεχνολογικής εφαρμογής φυτικών κυττάρων

Παραγωγή βιοντήζελ με ενζυμική τεχνολογία

Γενωμική και Βιοηθική

Μαθησιακοί στόχοι

Το μάθημα αποβλέπει στο να γίνει κατανοητή στο Χημικό Μηχανικό η έννοια της αξιοποίησης του κυττάρου (μικροβιακού, φυτικού, ζωϊκού) αλλά και των ενδοκυτταρικών συστημάτων (ένζυμα, ενδοκυτταρικά οργανίδια, κλπ) στην παραγωγή προϊόντων βιοτεχνολογικού ενδιαφέροντος, υπό την έννοια του κυτταρικού εργοστασίου (το κύτταρο ως βιοαντιδραστήρας) ως συνέχεια της αξιοποίησης του κυττάρου με τη χρήση βιοαντιδραστήρα, που διδάσκεται στο πλαίσιο του μαθήματος της Βιοχημικής Μηχανικής. Η αξιοποίηση του κυττάρου συνεπάγεται το σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση των κυτταρικών μηχανισμών με τη λογική της μηχανικής τους διαχείρισης, ώστε να οδηγούνται στην υπερπαραγωγή ενδιάμεσων μεταβολιτών εφόσον αυτοί αποτελούν τα βιοτεχνολογικού ενδιαφέροντος προϊόντα ή στη δημιουργία νέου φαινότυπου με ενδιαφέρουσες ιδιότητες. Ακόμη, γίνεται κατανοητή η δυνατότητα που προσφέρεται για την προσθήκη νέων μεταβολικών δικτύων από διαφορετικής προέλευσης κύτταρα που δίνουν στα κύτταρα στόχους νέες επιθυμητές ιδιότητες και εφαρμογές. Στο μάθημα διδάσκονται οι σημαντικότεροι κυτταρικοί μηχανισμοί όπως η γονιδιακή έκφραση, η πρωτεϊνοσύνθεση, τα μεταβολικά δίκτυα, ο αναβολισμός, ο ρόλος της κυτταρικής ενέργειας και η δυνατότητα διαχείρισής τους με εργαλεία γενετικής μηχανικής καθώς και ολιστικής ρύθμισής τους μέσα από την ποσοτικοποιημένη έκφραση των γονιδίων και τη μαθηματική επεξεργασία των διαφόρων μεταβολικών και γονιδιακών δικτύων. Επίσης, δίνεται η δυνατότητα να ενημερωθούν για την ύπαρξη κατάλληλων πληροφορικών προγραμμάτων καθώς την αξιοποίηση πολυάριθμων βάσεων βιολογικών δεδομένων. Τέλος αναλύεται η έννοια της ολιστικής ρύθμισης και κατ’ επέκταση η σύνθεση νέων δικτύων π.χ γονιδιακών και μεταβολικών με την έννοια της «Συνθετικής Βιολογίας». Δίνονται παραδείγματα χρησιμοποίησης μικροβιακών, ζωϊκών και φυτικών κυττάρων σε βιοτεχνολογικές διεργασίες. Δεν θα πρέπει όμως να αγνοείται ότι το κύτταρο και γενικά οι μηχανισμοί της ζωής θα πρέπει να αντιμετωπίζονται με σεβασμό και περίσκεψη.

Προτεινόμενα συγγράμματα

  1. Μηχανική Βιοδιεργασιών: Βασικές έννοιες (Michael L. Shuler/Fikret Kargi)
  2. Βασικές Αρχές Κυτταρικής Βιολογίας (Alberts/Bray/Johnson/Lewis/Raff/Roberts/Walter)
  3. Metabolic Engineering. Principles and Methodologies (Gregory N. Stephanopoulos, Aristos A. Aristou, Jens Nielsen)

Βιβλιογραφία

  1. Ε. Καλογερής, Χ. Σταμάτης. Εργαστηριακές ασκήσεις Μεταβολικής Μηχανικής. Πανεπιστημιακές Σημειώσεις. Ιωάννινα,  2006
  2. Χ. Σταμάτης. Στοιχεία Μεταβολικής Μηχανικής. Πανεπιστημιακές Σημειώσεις Ιωάννινα, 2006
  3. Mendes, P. (1993) GEPASI: a software package for modelling the dynamics, steady states and control of biochemical and other systems. Appl. Biosci. 9, 563-571.
  4. Mendes, P. (1997) Biochemistry by numbers: simulation of biochemical pathways with Gepasi 3. Trends Biochem. Sci. 22, 361-363.
  5. Mendes, P. & Kell, D. B. (1998) Non-linear optimization of biochemical pathways: applications to metabolic engineering and parameter estimation. Bioinformatics 14, 869-883.
  6. Stephanopoulos, A. Aristidou, J. Nielsen. Metabolic Engineering, Academic Press, San Diego USA, 1998.
  7. Snoep, P. Mendes, H. Wasterhoff. Teaching Metabolic Control Analysis and kineting modelling. The Biochemist, February 1999, 25-28
  8. Biochemical Calculations (1976). I. H. Segel, 2nd Edition, John Wiley & Sons Inc., New York
  9. Fell. Understanding the control of metabolism. In frontiers in Metabolism, Portland Press, London &  Miami, 1997.   

Μέθοδοι διδασκαλίας

Θεωρητικό μέρος:  Οι διαλέξεις γίνονται κάθε Δευτέρα, ώρα: 14.45 - 16.30.

Εργαστηριακές ασκήσεις (PC lab): Παρασκευή 9.45-11.30, 11.45-13.30 (2 βάρδιες: Υπεύθυνοι συνεργάτες: Διόμη Μάμα (ΕΔΙΠ), Κων/να Παπαδοπούλου (ΕΔΙΠ), Ευθύμιος Λαδουκάκης, Υπ. Διδάκτορας). Διδάσκονται δύο βιοπληροφορικά προγράμματα που αφορούν: (α) την κατανόηση της σχέσης δομής και λειτουργίας των ενζύμων που αποβλέπει στην κατανόηση σε μοριακό επίπεδο του μηχανισμού της ενζυμικής κατάλυσης και πώς αυτός συνδέεται (και ελέγχεται) από τη δομή των πρωτεϊνών δηλαδή τη σειρά των αμινοξέων αλλά και των σχέσεων τους στο χώρο. Κατά συνέπεια διευκρινίζεται η συσχέτιση του γονιδίου και του βαθμού έκφρασhς με το μηχανισμό πρωτεϊνοσύνθεσης και ενζυμικής κατάλυσης, και, (β) το σχεδιασμό και τη μοντελοποίηση των μεταβολικών δρόμων μέσα από τις κινητικές σταθερές των εκάστοτε ενζυμικά καταλυόμενων αντιδράσεων με απώτερο στόχο την κατανόηση των αρχών της Μεταβολικής Μηχανικής και της δυνατότητας ρύθμισης του μεταβολικού δικτύου και κατ’ επέκταση του σχεδιασμού παραγωγής μεταβολικών προϊόντων.

  • Απεικόνιση πρωτεϊνικών μορίων και ανάλυση της δομής τους με τη χρήση υπολογιστικών προγραμμάτων (Pymol): pymol-0_99rc6-bin-win32.rar
  • Μεταβολική Μηχανική: Προσομοίωση και έλεγχος μεταβολικών οδών μέσω του υπολογιστικού Προγράμματος Gepasii (free) http://www.gepasi.org/

Ομαδικές Βιβλιογραφικές Εργασίες (2-4 ατόμων): Παραδίδεται γραπτή εργασία και γίνεται προφορική παρουσίαση διάρκειας 15 λεπτών στο τέλος της διάρκειας του εξαμήνου. Ενδεικτικά αναφέρονται ορισμένα θέματα: Βιοντίζελ από μικροάλγη, ενεργά πεπτίδια, μεταβολική μηχανική σε E. Coli, Μηχανική καρδιαγγειακών Ιστών, Παραγωγή ταξόλης από φυτικά κύτταρα, Βιοδιϋλιστήριο, κ.α.

Μέθοδοι αξιολόγησης

Ο τελικός βαθμός θα προκύπτει από τη συνολική απόδοση σε αναλογία:

  • 50% εξετάσεις (με ανοιχτά βιβλία),
  • 30% εργαστήριο,
  • 20% βαθμολόγηση της εργασίας.

Απαραίτητη προϋπόθεση για την προαγωγή του μαθήματος είναι ο βαθμός 5 στις τελικές εξετάσεις. Η παρακολούθηση των εργαστηριακών μαθημάτων και η εκπόνηση της εργασίας είναι υποχρεωτική.

Προαπαιτούμενα

Για το μάθημα αυτό απαιτούνται γνώσεις αρχών κυτταρικής βιολογίας, βιοτεχνολογίας περιβάλλοντος και βιοχημική μηχανικής.

Διδάσκοντες

 

Φραγκίσκος Κολίσης 

Καθηγητής

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Σχολή Χημικών Μηχανικών Ε.Μ.Π.
Τομέας: Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών 

 

Γραφείο: Ε.303

Εργαστήριο: Δ.310

Τηλέφωνο: +30210772 3156

Fax: +30210772 3161

E-Mail: kolisis@chemeng.ntua.gr

Ιστοσελίδα

www.chemeng.ntua.gr/the_people/fr.kolisis 

 photo topakas

Ευάγγελος Τόπακας

Επίκουρος Καθηγητής

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Σχολή Χημικών Μηχανικών Ε.Μ.Π.
Τομέας: Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών 

 

Γραφείο: Ε.302

Εργαστήριο: Δ.310

Τηλέφωνο: +30210772 3264

Fax: +30210772 3163

E-Mail: vtopakas@central.ntua.gr

             vtopakas@chemeng.ntua.gr

Ιστοσελίδα: www.chemeng.ntua.gr/biotechmass/topakas.html

 

 

 

Ομάδα στόχος

Το μάθημα της Εφαρμοσμένης Βιοτεχνολογίας απευθύνεται στους φοιτητές του 9ου εξαμήνου της Σχολής Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ που έχουν επιλέξει την εμβάθυνση «Βιοτεχνολογία - Τρόφιμα».  

Στο μάθημα διδάσκονται οι παρακάτω έννοιες:

Κυτταρικό Εργοστάσιο, Συστημική/Συνθετική Βιοτεχνολογία, Πώς αλλάζουν οι κυτταρικές πληροφορίες, μελέτη βιοδιεργασιών χρήσης καλλιεργειών ζωϊκών κυττάρων, μελέτη βιοδιεργασιών χρήσης καλλιεργειών φυτικών κυττάρων, χρησιμοποίηση γενετικά τροποποιημένων μικροοργανισμών, ιατρικές εφαρμογές της Μηχανικής των Βιοδιεργασιών, παραδοσιακές Βιομηχανικές διεργασίες.

Λέξεις Κλειδιά: Συστημικη/ Συνθετική Βιοτεχνολογια, κυτταρικό εργοστάσιο, τεχνολογίες -ομικς


Κωδικός: CHEMENG105
Σχολή - Τμήμα: 5. ΧΗΜΙΚΟΙ ΜΗΧΑΝΙΚΟΙ » Προπτυχιακό
Πρόσβαση στο μάθημα: Ελεύθερη (χωρίς εγγραφή)
Χρήστες: 2 εγγεγραμμένοι
CC - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή
CC - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή

Θεματικές Ενότητες

Στην ενότητα αυτή δίδονται πληροφορίες για το ρόλο της βιοτεχνολογίας και συγκεκριμένα της Βιομηχανικής Βιοτεχνολογίας στην οικονομική ανάπτυξη και τους τομείς στους οποίου διεισδύει.

Επιπλέον προτεινόμενη βιβλιογραφία για την ενότητα αυτή είναι:

  1. A Bio-economy for Europe: Innovating for Sustainability, Contribution of the KBBE-NET to the EC's planned Communication, 2011, Version 1.0 (2011-05-17)
  2. The Knowledge Based Bio-Economy (KBBE) in Europe: Achievements and Challenges, Full report, Study prepared and coordinated by Clever Consult BVBA (Belgium), 2010 (accessed by: http://sectie.ewi-vlaanderen.be/sites/default/files/documents/KBBE_A4_1_Full%20report_final.pdf)

Στη θεματική ενότητα αυτή, εισάγονται οι έννοιες της Συστημικής και Συνθετικής Βιολογίας και των σύγχρονων εξελίξεων στο τομέα των εφαρμογών τους που συνοψίζεται στην έννοια της Συστημικής Βιοτεχνολογίας.

Επιπλέον προτεινόμενη βιβλιογραφία για την ενότητα αυτή είναι:

  1. F.J. Bruggeman, H.V. Westerhoff, The nature of systems biology, TRENDS in Microbiology, 15(1), 2007, 45-50 (accessed by: http://ac.els-cdn.com/S0966842X06002642/1-s2.0-S0966842X06002642-main.pdf?_tid=af627d66-2bb6-11e5-8303-00000aab0f26&acdnat=1437050113_a1ced1cb96e6c5ddefdbd881d59b23f5)
  2. Systems Biology: a vision for engineering and medicine, A report from the Academy of Medical Sciences and The Royal Academy of Engineering, 2007, ISBN No. 1-904401-13-5 (accessed by: https://www.acmedsci.ac.uk/viewFile/publicationDownloads/1176712812.pdf) 
  3. J.M. Otero, J. Nielsen, Industrial Systems Biology, Biotechnology and Bioengineering, 105(3), 2010, 439-460 (accessed by: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bit.22592/pdf)
  4. H.V. Westerhoff and friends, Systems for Synthetic Biology, Manchester Centre for Integrative Systems Biology, Doctoral Training Centre for Systems Biology from Molecules to Life, Netherlands Institute for Systems Biology, Amsterdam (accessed by: http://iom.nationalacademies.org/~/media/2F65A3E8134049ADB1B38ECCD0729FC4.ashx)

Στην ενότητα αυτή περιγράφονται βασικές έννοιες και μηχανισμοί του κυττάρου, στοιχεία απαραίτητα για την κατανόηση των εργαλείων που αναπτύσσονται με στόχο τη διαχείριση τους. Συγκεκριμένα αναλύονται ο ρόλος της κυτταρικής μεμβράνης, ο κύκλος του Krebs, οι έννοιες του μεταβολισμού, του αναβολισμού, οι μηχανισμοί μεταφοράς ενέργειας κλπ.

Οι έννοιες που απασχολούν την ενότητα αυτή αναλύονται στα κεφάλαια 1 - 7 του βιβλίου Μηχανική Βιοδιεργασιών: Βασικές έννοιες (Michael L. Shuler/Fikret Kargi), που διανέμεται στους φοιτητές. 

Στην ενότητα αυτή αναλύονται οι έννοιες της ολιστικής λειτουργίας του κυττάρου και του οργανισμού που συνοψίζονται στις τρεις θεμελιώδεις λειτουργίες του κυττάρου: της γενωμικής, της πρωτεωμικής και της μεταβολομικής. Επίσης παρουσιάζονται οι σύγχρονες προσεγγίσεις που επιτρέπουν την ποιοτική αλλά και την ποσοτική μελέτη των φαινομένων.

Οι έννοιες που απασχολούν την ενότητα αυτή αναλύονται στο υποκεφάλαιο 8.5 του βιβλίου Μηχανική Βιοδιεργασιών: Βασικές έννοιες (Michael L. Shuler/Fikret Kargi), που διανέμεται στους φοιτητές. 

Στην ενότητα αυτή, παρουσιάζονται οι αρχές της μεταβολικής μηχανικής και παρουσιάζονται οι βασικές μαθηματικές εκφράσεις που διέπουν τους μηχανισμούς και μπορούν να συνεισφέρουν στη δυνατότητα μοντελοποίησης των κυτταρικών λειτουργιών.

Οι έννοιες που απασχολούν την ενότητα αυτή αναλύονται στo βιβλίο Metabolic Engineering. Principles and Methodologies (Gregory N. Stephanopoulos, Aristos A. Aristou, Jens Nielsen).

Κατά την ανάπτυξη της ενότητας αυτής, περιγράφονται τα πληροφορικά εργαλεία που χρησιμοποιούνται στο σχεδιασμό, την ανάλυση αλλά και την αξιοποίηση της συστημικής βιοτεχνολογίας στις σύγχρονες εφαρμογές.

Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται οι αρχές αλλά και τα εργαλεία που χρησιμοποιούνται στην τροποποίηση των κυτταρικών λειτουργιών.

Οι έννοιες που απασχολούν την ενότητα αυτή αναλύονται στο κεφάλαιο 8 και 14 του βιβλίου Μηχανική Βιοδιεργασιών: Βασικές έννοιες (Michael L. Shuler/Fikret Kargi), που διανέμεται στους φοιτητές. 

Στην ενότητα αυτή περιγράφονται βιοτεχνολογικές εφαρμογές των μικροβιακών, ζωϊκών και φυτικών κυττάρων σε μια σειρά από τομείς όπως φάρμακα, γεωργία, χημική βιομηχανία, τρόφιμα, ενέργεια, διαχείριση αποβλήτων κλπ.

Οι έννοιες που απασχολούν την ενότητα αυτή αναλύονται στα κεφάλαια 12 - 17 του βιβλίου Μηχανική Βιοδιεργασιών: Βασικές έννοιες (Michael L. Shuler/Fikret Kargi), που διανέμεται στους φοιτητές. 

Στην ενότητα αυτή εξετάζονται οι κοινωνικές επιπτώσεις των εξελίξεων στην έρευνα στη Βιοτεχνολογία και στις εφαρμογές της.

Ανοικτό Ακαδ. Μάθημα

Ημερολόγιο

Ανακοινώσεις

  • - Δεν υπάρχουν ανακοινώσεις -