Samenvatting biotechnologie

BIOTECHNOLOGIE:
Les 1 Inleiding
Inleiding en toepassing van biotechnologie
Biotechnologie betreft het toepassen van wetenschappelijke en bouwkundige principes op de
verwerking van materiaal afkomstig door biologische agentia om goederen en diensten te leveren.

Biotechnologische processen verloopt:
Grondstof → Upstream processing: voorbereiden van micro-organismen (MO) en grondstoffen nodig
voor MO → Fermentation and transformation: Groeien (fermentation) van target MO met de daaruit
voortvloeiende productie (biotransformation) van het gewilde product → Downstream processing:
Zuiveren van het gewilde product → Eindproduct

Het doel van biotechnologisch onderzoek is het maximaliseren van de efficiëntie van elke stap en het
vinden van MO die bruikbaar zijn voor het produceren van voedsel, voedsel supplementen en
geneesmiddelen.

Tegenwoordig wordt hier recombinante DNA technologie voor gebruikt. Doordat de DNA code
universeel is, kan er uitwisselingen van DNA (en uiteindelijk eiwitten) onder organismen
plaatsvinden.

Verschillende domeinen binnen biotechnologie
Rode biotechnieken gaat over de farmaceutische
richting, dit wordt behandeld tijdens de cursus.


Groene biotechnieken gaat over het optimaliseren van
bijvoorbeeld landbouwgewassen, voorbeelden
hiervan: Resistentie tegen schimmels of insecten,
minder gevoeligheid voor droogte of temperatuur,
verbeteren van opbrengst of kwaliteit.
Toepassingen hierbij zijn: Gluten-vrij graan, rijst met
extra vitA, blue genes katoen (voor spijkerbroeken),
extra plantaardige olie (voor biobrandstof).


Witte biotechnologie betreft de industriële en
huishoudelijke biotechnologie, voorbeelden hiervan
zijn: Waspoeder/schoonmaakmiddelen, afbreekbare
plastics.

Blauwe, bruine en grijze biotechnologie hebben veel raakvlakken. Hier wordt gebruik gemaakt van
bioremediatie, dit is het proces waarin micro-organismen, paddenstoelen, groene installaties of hun
enzymen gebruikt worden om het natuurlijke milieu na verontreiniging weer terug te brengen naar
originele staat. Ook kunnen bacteriën gebruikt worden om olie/gif lekkage op te ruimen. Of algen en
andere marine organismen worden ingezet voor waterzuivering.

,Expressiesystemen
Een van de veel geproduceerde producten zijn
recombinante eiwitten. Deze eiwitten worden
geproduceerd door expressiesystemen. Hierbij wordt
er door middel van een expressievector een gen van
interesse (g.o.i.) tot expressie gebracht in
gastheercellen. Deze zullen vervolgens een
heteroloog (‘vreemde’) eiwit produceren.

Er zijn verschillende expressievectoren: plasmide,
virus, plasmide-virus tussenvormen en artificieel
chromosoom.

Het doel van ieder expressie systeem is om zoveel
mogelijk eiwit te produceren, van zo hoog mogelijke
kwaliteit tegen zo laag mogelijke kosten.

Veel voorkomende begrippen bij expressiesystemen
zijn:
- Transfectie: Tijdelijke opname van vreemd DNA, meestal in animale cellen.
- Transformatie: Opname van vreemd DNA, hierbij vindt er integratie plaats in het genoom van de
gastheer en is dit blijvend veranderd, dit in zowel animaal als prokaryoten cellen.
- Transductie: DNA overdracht tussen prokaryoten d.m.v. een faag.
- Infectie: DNA transfer d.m.v. virale vector.

Als expressiesystemen kunnen losse cellen gebruikt worden of complete organismen.
Losse cellen
Prokaryoot
- Bacteriën (E. coli)
Eukaryoot
- Gist/Schimmels
- Insectencellen in combinatie met baculovirus
- Zoogdiercellen
Complete organismen
- Planten
- Dieren

Tijdens het kiezen voor een expressiesysteem is post translationele modifciatie (PTM) ook een factor,
dit is het proces na de translatie. Hierbij worden de eiwitten verder bewerkt, zoals chemische
modificaties (acetylering/methylering/glycosylering), vouwing, klieving. Deze modificaties zijn nodig
om het eiwit functioneel te maken in het menselijk lichaam.
De PTM is bij zoogdiercellen grotendeels goed.
Bij insecten+virus en planten afwijkend.
Bij gisten/schimmels een beetje.
En bij bacteriën is er geen.

,Recombinante eiwitten (therapie)
Er zijn verschillende toepassingen van therapeutische recombinante eiwitten.

 Virale kapseleiwitten (vaccins)
Zorgen voor het opwekken van immuunrespons om de gevaccineerde bestand te maken
tegen een specifieke ziekteverwekker.
 Enzymen
Worden gebruikt bij stofwisselingziektes waarbij er sprake is van een enzymdeficiëntie.
 Antilichamen
Worden gebruikt om specifieke tumorcellen te vernietigen of het immuunsysteem aan te
sporen deze cellen te vernietigen.
 Stollingsfactoren
Wordt gebruikt bij hemofilie (tekort aan stollingsfactoren).
 Hormonen en groeifactoren
Insuline bij diabetes (Niet is balans hebben van de bloedsuikerspiegel).
EPO bij bloedarmoede/nierschade (EPO stimuleert de aanmaak van rode bloedcellen).
Groeihormoon bij kinderen/zuigelingen met een groei- of ontwikkelingsstoornis.
 Immuunregulatie
TNFα (stimuleert de ontstekingsreactie in het lichaam).
Interleukines en interferonen beide betrokken bij immuunrespons.

Enzyme replacement therapy (ERT) – enzym produceren en toedienen bij patiënt die het enzym zelf
niet (genoeg) aanmaakt.

Andere vorm van therapie is gen therapie, dit is gene editing met bijvoorbeeld crispr-cas9. Gen
therapie is het inbrengen van een correct gen zodat het juiste product alsnog geproduceerd wordt.
Dit kan bij mono genetische ziekten, hierbij is er één fout op één gen. Een voorbeeld hiervan is bij
lipoprotein lipase (LPL), dit enzym helpt bij het afbreken van triglyceriden in plasma, bij deficiëntie is
er een extreem vet bloedplasma. Oplossing hiervoor is viraal gentherapie, hierbij wordt het
gendefect gecorrigeerd.

Orphan diseases zijn ziektes die te weinig voorkomen om voor farmaceutische bedrijven op de
verdienen. Soms worden er wel subsidies gegeven om onderzoek te stimuleren.

, Verdieping – expression systems (review) ! Komt later nog in lessen voorbij !

Bij het kiezen van een expressiesysteem moet je altijd een compromis sluiten. Hier komen
verschillende vragen bij kijken als wat de toepassing is van het eindproduct? Hoeveel product er
gewenst is? Hoe nauw komt afwijkende PTM? Speelt productiesnelheid een rol? En nog veel meer.
Prokaryoten systemen zijn vaak simpel en voor de meeste processen voldoenden, maar hebben wel
veel beperkingen bij het producen van eukaryoten eiwitten i.v.m. het gebrek aan PMT.

Bacteriën

Voordelen
- Veel bekendheid over genetica, fysiologie en complete genoom.
- Hoge groeisnelheid en grote expressie van eiwitten.
- Simpel en goedkoop groeimedium.
- Veel stammen zijn al genetische gemanipuleerd en daardoor veilig bij grootschalig gebruik. .
- Zuivering is vaak simpel.
Nadelen
- Geen PMT.
- Eiwitten die met grote hoeveelheid tot expressie komen, klonteren vaak samen tot één
‘inclusion body’, waardoor dit eerst moet worden gedenatureerd en daarna weer voorzichtig
gevouwen moet worden.
- Ook kan er door celdood endotoxines vrijkomen die nog verwijderd moeten van het
eindproduct.

Gist

Voordelen
- Is vergeleken prokaryoot (soms toxische celwand pyrogenen) en eukaryoot (kan oncogene of
viraal DNA bevatten) erg veilig voor de productie van eiwitten.
- Vergeleken zoogdiercellen groeien ze snel in een simpel medium.
- Bevatten de PMT glycosylering.
Nadelen
- Geen verdere PMT, of PMT verschilt van zoogdiercellen.
- Bevat soms hypermannosylatie wat zorgt voor een verkeerde vouwing en daardoor geen
goede werking van het eiwit.

Insect+baculovirus

Voordelen
- Veel PMT, vergelijkbaar met hogere eukaryotische cellen
- De eiwitten bevinden zich in het algemeen in het bijpassende cellulaire component en het
overschot van geproduceerde eiwit blijft in de insectcel.
- Het virus genoom is groot en kan grote DNA fragmenten bevatten.
- Baculovirus is niet infectieus in gewervelde en de promotor is inactief in zoogdiercellen.
- Het proces is vrij snel.
Nadelen
- Is wel infectieus voor ongewervelde, hierdoor andere processing van eiwitten geproduceerd
door gewervelde. Niet PMT van heel hoog niveau.