Úvod do biotechnologie
Biotechnologie je interdisciplinární obor, který využívá poznatky z mnoha vědeckých disciplín. Které tři hlavní obory jsou pro ni nezbytné?
Geologie, astronomie a meteorologie
Matematika, deskriptivní geometrie a lingvistika
Sociologie, politologie a historie                                                                                   2b
Biochemie, mikrobiologie a inženýrské disciplíny
Kdo zavedl termín ‚biotechnologie‘ v roce 1919 pro shrnutí všech metod využívajících mikroorganismy pro přeměnu surovin?
Gregor Mendel                                                                                                            2b
Karl Ereky
James Watson
Který z následujících produktů spadá do tradiční biotechnologie a byl vyráběn již Sumery před 4 tisíci lety?
Antibiotika (např. Penicilin)                                                                                          2b
Jogurt a sýr
Bioplasty vyrobené z obnovitelných rostlinných zdrojů
Lidský inzulin produkovaný geneticky modifikovanými bakteriemi
Jaká barva biotechnologie se primárně zaměřuje na využití biologických systémů v lékařství a ve farmacii, například při výrobě protilátek a vakcín?
Bílá biotechnologie                                                                                                      2b
Zelená biotechnologie
Modrá biotechnologie
Červená biotechnologie
V čem spočívá zásadní rozdíl mezi moderní a tradiční biotechnologií?
Tradiční BT se zaměřovala na zemědělství, moderní výhradně na medicínu.                  2b
Tradiční BT probíhala pouze za mírných podmínek, zatímco moderní vyžaduje vysoké teploty a tlak.
Moderní BT často cíleně mění genetické uspořádání organismů (např. genetickým inženýrstvím).
 
 
 
 
Biotechnologie a pivovarská kvasinka
doplň:
Metabolismus a kvašení: Kvasinka je fakultativně anaerobní, což znamená, že dokáže přežívat a růst jak s kyslíkem, tak bez něj.                                                                                         5b
 
Aerobní podmínky (s kyslíkem): Provádí buněčné dýchání (oxidace cukrů na CO2 a H2O, což vede k rychlému množení buněk (biomasy).                                            2b
Anaerobní podmínky (bez kyslíku): Dochází k alkoholovému kvašení, kde přeměňuje zkvasitelné sacharidy (glukózu, maltózu, maltotriózu ze sladiny) na etanol a oxid uhličitý, což jsou dva klíčové produkty piva.                                     2b
Napiš rovnici alkoholového kvašení:
CH12O6 → 2CO2 + 2C2H5OH + energie     5b
 
Kvasinka ve výrobě droždí (Aerobní využití
     doplň:
Surovina: Hlavní surovinou pro kultivaci kvasinek je nejčastěji řepná nebo třtinová melasa (odpadní produkt cukrovarnické výroby), která slouží jako zdroj sacharidů. Dále se přidávají minerální látky a zdroje dusíku a fosforu.                                                       3b
Kultivace (fermentace): Proces probíhá v obrovských nerezových tancích. Klíčové je intenzivní provzdušňování (aerace) a přísná kontrola teploty a pH.                            
V přítomnosti velkého množství kyslíku kvasinky neprovádějí alkoholové kvašení, ale buněčné dýchání. Dochází k rychlé oxidaci cukrů a efektivní tvorbě buněčné hmoty (biomasy).
Cílem je maximalizovat růst kvasinkových buněk, nikoli produkci alkoholu.           4b
Separace: Po dosažení požadované koncentrace se kvasinková biomasa oddělí od kultivačního média pomocí odstředivek.
Filtrace a Lisování: Biomasa se dále promývá, filtruje a poté lisuje do podoby pekařského droždí, jak jej známe.
Konečné použití: V pekárenství je kvasinka použita k výrobě CO2 (opět kvašením, tentokrát v těstě), který způsobuje kynutí a zvětšení objemu těsta.                               3b
           
 
…a další využití biotechnologií!!!!
Proč je vytváříme? (vypiš alespoň 2 důvody)                                                              2b
pro lepší pevnost, tuhost a odolnost, úsporu hmotnosti a energie zdrojů, eko zátěže
 
Uveď 2 příklady historické a 2 příklady současné tvorby kompozitů:                                  4b
 
HISTORICKY: konstrukce z proutí a hlíny – pravěk, vepřovice (nepálené cihly vystlané slámou) – 10 000 let zpět, materiál podobný překližce na rakve – Mezopotámie
SOUČASNĚ: železobeton (beton vyztužený ocelí), skelný laminát (skleněná vlákna + pryskyřice)
 
 
BAMBUSOVÁ BUDOUCNOST – NAHRADÍ PLASTY?
 
Představ si, že ses stal vedoucím týmu biotechnologů, který má rozhodnout, zda se BFRPC hodí pro masové využití.                                                                              6b
Ze znalosti, že BFRPC by měly nahradit plasty, vypiš 3 největší výhody bambusových vláken oproti syntetickým materiálům (jako jsou např. skelná vlákna)
                        ekologická udržitelnost, nízká cena a náklady, nízká hustota (lehkost)
 
Bambusová vlákna mají i své nevýhody. Identifikuj největší technický problém, kterým budeš jako vědec při výrobě kompozitů BFRPC muset řešit (vodítko: týká se to bambusového vlákna s plastovou matricí)                                                  2b
           nekompatibilita (plastová vlákna jsou hydrofobní – odpuzují vodu a bambusová hydrofilní – přitahují vodu). Kvůli tomu se nežádoucím způsobem snižují mechanické vlastnosti a materiál je nutno mechanicky nebo chemicky modifikovat.
 
2. Tvůj kolega navrhl, že by se BFRPC mohly používat na karoserie automobilů. Dle zjištěných vlastností a typických využití (vnitřní prvky, obaly, stavebnictví) zhodnoťte tento nápad.                                                                                                                    4b
Pro jaké DVA konkrétní díly uvnitř automobilu by se BFRPC skvěle hodily (např. části interiéru nebo funkční prvky) a proč? Uveď konkrétní vlastnost, která se pro toto využití hodí.                                                                         
           pro nízkou hmotnost a akustické vlastnosti – obložení dveří, palubní desky, sedadla
pro nízkou cenu, udržitelnost a dobrou odolnost vůči nárazu přihrádky, držáky nápojů, kryty zavazadlového prostoru
 
KUKUŘIČNÉ PLASTY  
Doplň tři hlavní transformační kroky (procesy) potřebné k přeměně zrna kukuřice na surovinu pro bioplast.                                                                                                  5b
Z kukuřičného zrna se pomocí speciálního procesu nejprve oddělí klíčová složka – _____škrob/kukuř.škrob________. Získaná složka se chemicky uptaví, aby vytvořila __________polymer / dlouhý řetězec polymeru_____________, což je základní stavební kámen všech plastů. Z tohoto stavebního kamene se nakonec vytvoří ____granulát/pelety_______, které lze ______roztavit_________ a formovat do finálních výrobků.
DOMEČEK PLNÝ HOUBIČEK
Pracuješ v průměrné, hlučné, plastové kanceláři (tzv. open space) velké firmy v Liberci. S kolegy jste si postěžovali, že vaše pracovní prostředí není vyhovující. Firma přistoupila na vaše požadavky, chtějí od vás ale konkrétní návrh zdravé, tiché a ekologické podoby kanceláře s využitím prvků od jimi podporovaného projektu SAMOROST. Vaše kancelář sídlí v obdélníkové místnosti o rozměrech 15x9m, na jedné z krátkých stěn jsou dvě velká okna orientovaná na východ. V této kanceláři vás pracuje 10, každý má svůj stůl.
Vyber tři vlastnosti mykokompozitu (např. oproti plastu nebo dřevotřísce) a pro každou uveď, jak konkrétně v kanceláři zlepší pracovní prostředí.                 8b
 
VLASTNOST MYKOKOMPOZITU
KONKRÉTNÍ VYUŽITÍ V KANCELÁŘI
PŘÍNOS PRO ZAMĚSTNANCE
1. Vynikající akustická izolace
akustické obkladové panely na stěny, závěsné stropní baffly (pohlcovače zvuků)
snižuje hluk a ozvěnu, zlepšuje soustředění a snižuje stres z pracovního prostředí
2. nízká hmotnost (lehkost)
mobilní dělící příčky/paravany pro optické rozdělení stolů
snadná manipulace a rychlá proměna prostoru dle potřeby týmu a aktuálních úprav
3. nízká tepelná vodivost
obklad stěn, opláštění chladných míst (u oken)
zlepšení tepelného komfortu (izolace), snížení nákladů na vytápění budovy
4. špatná hořlavost (oddoutnávání)
opláštění vnitřních prvků a nábytku
zvýšení požární bezpečnosti (oproti plystyrenu neodkapává žhavé kapky a poskytuje více času na evakuaci)
 
Nakresli (online/ručně) 3 různé prvky kancelářského interiéru (dva funkční a jeden dekorativní), které jsou vytvořené z mykokompozitu. Hodnocena bude praktičnost, propracovatnost a kreativita.                                               6b
 
Vedoucí oddělení se vás ptá, jakou má mykokompozit výhodu oproti bambusovému kompozitu (BFRPC) v otázce konce životnosti. Vysvětli v jedné větě, proč je mykokompozit lepší volbou pro cirkulární ekonomiku než BFRPC (který obsahuje plastovou matrici).                                                                   2b
Mykokompozit je lehčí volbou, protože je celý vytvořen z odpadní biomasy a podhoubí, díky čemuž je po skončení životnosti plně kompostovatelný, zatímco BFRPC obsahuje syntetický plast, který brání rozkladu.
 
Pracuješ jako vývojář v oblasti medicíny a zkoumáš vývoj obvazů, které mají krýt otevřené rány po rozsáhlých popáleninách. Na výběr máš dva materiály:
konvenční gázový obvaz s antiseptickou mastí
speciální membránu z CHITOSANU
Vypiš 3 hlavní výhody membrány z chitosanu oproti běžnému gázovému obvazu. Využij znalosti o tom, jak se liší přírodní materiál od syntetického nebo pasivního obvazu.                                                                                                                6b
           
VLASTNOST CHITOSANU
VÝHODA PRO RÁNU
1. podpora regenerace (biokompatibilita)
chitosan – lešení pro růst buněk, urychluje tvorbu nové tkáně a pomáhá hojení bez velkých jizev
2. antimikrobiální účinky
aktivně chrání ránu před infekcí (anti bakt./plísň) bez nutnosti vnější antiseptické masti
3. hemostatické účinky
zastavení krvácení urychlením srážení krve (kritické u rozsáhlých traumatických ran)
 
Jednou z nejcennějších vlastností s chitosanu je schopnost zastavení krvácení (hemostáza). Navzdory tomuto potenciálu se chitosanové obvazy dosud nepoužívají masově v každé lékárničce první pomoci. Jaká finanční nebo etická překážka může stát v cestě jejímu využití? Zvaž nákladovou efektivitu vůči záchraně života.                     3b
Finanční překážka – výrazně dražší na výrobu než běžná gáza a masti, což je nevhodné pro masovou, levnou distribuci v lékárnách
Logistická/etická překážka – chitosan se dá získat z hub, hlavním komerčním zdrojem je ale korýšový chitin (krevety) – zdroj je omezený a v některých případech může vzejít i alergické riziko.
 
Z JATEK DO LABORATOŘE, ANEB JAK TO BYLO S INZULINEM
Vysvětli, proč byl inzulín získávaný ze zvířat méně vhodný a hůře přijímatelný pro člověka než nově získávaný inzulín.                                                                              2b
Molekulární složení – zvířecí (1-3 AMK jiné) – tělo jej považovalo za částečně cizí látku a reagovalo imunitní odpovědí, zhoršovalo léčebné účinky.
            Nečistota produktu – inzulin nebylo možné dokonale vyčistit, ve složení zůstávalo malé množství zvířecích proteinů, což opět zvyšovalo výskyt alergických reakcí
Nově získávaný inzulín je čistý, identický s lidským.
 
Původní metoda získávání zvířecího inzulínu byla velmi nákladná a neefektivní. Na pokrytí roční spotřeby inzulínu pro jednoho pacienta trpícího diabetem 1. typu bylo potřeba přibližně 2 tuny vepřových slinivek (pankreatů).
Uveď 2 hlavní etické nebo logistické překážky, které tato neefektivní masová výroba inzulínu vytvářela.                                                                                                    2b
Logistika: závislost na jatečních zvířatech (časová náročnost, obrovský přísun zvířat, dostupnost inzulínu horší)
etická zátěž – sporné, neudržitelné, zneužití jatečních zvířat v chovu, horší kvalita masa
JÍDLO Z LABORATOŘE
 
Vysvětli, jak se liší tradiční produkce masa (z farmy/chovu) a laboratorní pěstování masa z pohledu spotřeby antibiotik a rizika infekce.
Tradiční chov: často preventivní podávání ATB kvůli vysokému riziku šíření infekcí, což vede ke zvýšené ATB rezistence
laboratorní pěstování: sterilní bioreaktor (uzavřený systém), ATB nejsou nutná  
           
proč je pěstování v uzavřeném a kontrolovaném bioreaktoru (nebo vertikální farmě) z pohledu hygieny bezpečnější?                                                                       2b
eliminace kontaminace (uzavřený systém, eliminace patogenů, toxinů
snížení zoonóz (nákaz přenášených ze zvířat na člověka) a kontaminace fekáliemi, která hrozí při porážce
 
Jakým způsobem se sníží nároky na půdu a spotřebu vody ve srovnání s tradičním zemědělstvím a chovem?                                                                            2b
půda: odpadá potřeba velké plochy pro pastviny a pěstování krmiva (tvoří většinu půdní stopy živočichů), vertikální uspořádání u zeleniny zvyšuje výnos na minimální zastavěné ploše
voda: recyklace (hydroponické/aquaponické systémy) a bioreaktory umožňují recyklaci vody a živin, čímž se spotřeba vody snižuje o 90-95 % oproti tradičnímu zemědělství
 
Uveď 1 hlavní logistickou nevýhodu, kterou má v současnosti kultivované maso oproti masu z farmy.                                                                                                     1b
výrazně vysoké náklady a energetická neúspornost
Která Zoologická zahrada v ČR si pěstuje vlastní zeleninu v akvaponických kulturách pro svá zvířata?                                                                                           1b                    – Zoo Liberec