C8112 Enzymová biotechnologie

Přírodovědecká fakulta
jaro 2025
Rozsah
2/0/0. 4 kr. Ukončení: zk.
Vyučováno kontaktně
Vyučující
prof. RNDr. Igor Kučera, DrSc. (přednášející)
Garance
prof. RNDr. Igor Kučera, DrSc.
Ústav biochemie – Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Dodavatelské pracoviště: Ústav biochemie – Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
Cíle předmětu
Enzymová biotechnologie se zabývá použitím enzymů jako biokatalyzátorů pro výrobu velkoobjemových produktů a produktů s vysokou přidanou hodnotou, jako jsou potraviny, jemné chemikálie a léčiva. Enzymy se také používají ke zlepšení služeb, jako jsou procesy praní textilií a ochrany životního prostředí, nebo pro analytické a diagnostické účely. Předmět seznámí student se základními principy enzymologie. Bude uveden přehled postupů pro produkci proteinů v průmyslovém měřítku, včetně následných kroků zpracování a optimalizace enzymů pomocí objevování enzymů a proteinového inženýrství. Podrobně bude diskutována řada případových studií ilustrujících použití enzymů. Předmět také seznamuje studenty s některými obchodními aspekty, jako je patentová praxe a současné trendy na trhu s enzymy.
Výstupy z učení
Na konci tohoto kurzu budou studenti schopni: • -prokázat znalost základních tříd enzymů a jejich potenciálu pro použití v biotechnologii • -navrhnout enzymový test a stanovit kinetické parametry z hrubých kinetických dat • -navrhovat, provádět a vyhodnocovat enzymové přeměny • -popsat metody výběru a optimalizace průmyslových enzymů s využitím genetických a biochemických technik • -shrnout současné procesy výroby průmyslových enzymů, od produkce proteinů po purifikaci a formulaci • -porozumět enzymovým technologiím využívajícím rozpustné nebo imobilizované enzymy pro výrobu průmyslových a zdravotnických produktů • -diskutovat různé aplikace enzymů, které mohou prospět kvalitě lidského života
Osnova
  • 1) Úvod do enzymologie. Obecná terminologie, názvosloví a klasifikace enzymů. Struktura enzymů a jejich aktivních míst. Úloha kofaktorů. Původ katalytického zvýšení. Katalytická flexibilita a selektivita/specifita. Výhody a nevýhody použití enzymů jako katalyzátorů. • 2) Enzymové testy. Exprese a měření aktivity enzymu. Základní podmínky pro stanovení enzymů (koncentrace substrátu, pufr, teplota). Průběhová křivka a počáteční rychlost. Průběžné a zastavené testy. Testy pro vysoce výkonný screening. Instrumentální aspekty měření. • 3) Kinetika enzymů v homogenních systémech. Kinetika jednosubstrátové reakce; určení parametrů rovnice Michelise a Mentenové. Alternativní substráty. Multisubstrátové reakce. Inhibice enzymu: reverzibilní (kompetitivní, akompetitivní a nekompetitivní) a ireverzibilní inhibice. Inhibice substrátem a produktem. Allosterie a sigmoidní kinetika. Vliv pH a teploty na enzymy. Kinetika deaktivace. • 4) Kinetika enzymů v heterogenních systémech. Limitace přenosu hmoty v enzymové katalýze. Enzymy v nekonvenčních médiích. • 5) Získávání nových enzymů a proteinové inženýrství. Kultivační obohacování, metagenomový přístup, in silico screening. Řízená (molekulární) evoluce, racionální návrh a výpočetní návrh enzymů. • 6) Výroba a čištění enzymů ve velkém měřítku. Zdroje enzymů. Techniky pěstování mikroorganismů. Možnosti zlepšení výtěžku enzymů. Kroky následného zpracování: regenerace, koncentrace, purifikace, formulace. • 7) Imobilizace enzymu. Nosiče (anorganické, organické a syntetické polymery), vazebné metody (adsorpce, kovalentní vazba, zesítění a zachycení). Vlastnosti imobilizovaných enzymů. Aplikace imobilizovaných enzymů v bioreaktorech a biosenzorech. • 8) Biotransformační aplikace enzymů. Syntéza antibiotik, výroba léčiv a jemných chemikálií. • 9) Aplikace enzymů v potravinářském a nápojovém průmyslu 10) Využití enzymů v průmyslu péče o domácnost, v textilním a kožedělném průmyslu. Enzymy v bioremediaci. Výroba biopaliv z biomasy. • 11) Lékařské aplikace enzymů jako diagnostických, analytických a terapeutických činidel. Enzymy pro molekulární biologii. • 12) Enzymový trh, enzymové společnosti a prodávané enzymy. Akademická a patentová literatura o enzymech. Závěrečné poznámky.
Literatura
  • ILLANES, Andrés, Lorena WILSON a Carlos VERA. Problem solving in enzyme biocatalysis. Chichester: Wiley-Blackwell, 2014, xxiii, 318. ISBN 9781118341711. info
  • BUCHHOLZ, Klaus, Volker KASCHE a Uwe BORNSCHEUER. Biocatalysts and enzyme technology. Second, completely revised a. Weinheim: Wiley-VCH, 2012, xx, 606. ISBN 9783527329892. info
  • CORNISH-BOWDEN, Athel. Fundamentals of enzyme kinetics. 4th, completely revised and. Weinheim: Wiley-Blackwell, 2012, xviii, 492. ISBN 9783527330744. info
  • BISSWANGER, Hans. Practical enzymology. 2nd, completely rev. ed. Weinheim: Wiley-Blackwell, 2011, xvi, 360. ISBN 9783527320769. info
  • DEVASENA, T. Enzymology. Oxford: Oxford University Press, 2010, xvi, 492. ISBN 9780198064435. info
  • Handbook of enzyme biotechnology. Edited by Alan Wiseman. 2nd ed. Chichester: E. Horwood, 1985, 457 s. ISBN 0853124205. info
Výukové metody
Přednášky s powerpointovými prezentacemi, které jsou dostupné online jako soubory pdf.
Metody hodnocení
U zkoušky (kolokvia) si student vylosuje trojici otázek. Nejprve má vyhrazenu 1 hod na zpracování písemné přípravy, pak následuje pohovor. Možnou alternativou je online test v IS: otázky s více odpověďmi, pro splnění je potřeba mít >50 % správných odpovědí.
Další komentáře
Předmět je vyučován každoročně.
Výuka probíhá každý týden.
Předmět je zařazen také v obdobích jaro 2020, jaro 2021, jaro 2022, jaro 2023, jaro 2024.