• Film om bionik

    Film om bionik

    Her finder du tre spændende film tilknyttet “Fermentering – vi ansætter mikroorganismer”, hvor du kan få indblik i hvad biomimik og fermentering er, og se hvad naturen ellers gemmer på. Rigtig god fornøjelse!

    Opdateret af Victoria Claudia Svendsen den 7. august 2017

  • Øvelser

    Øvelser

    Til Fermenteringsprojektet er der tilknyttet to øvelser, i form af cases, hvor du selv skal afprøve det du har lært. Casene handler om biomimik og hvordan insulin produceres.

    Rigtig god fornøjelse!

    Der findes rigtig mange forskellige cases om biomimik. Du har i dette projekt hørt om produktion af naturlig rød farve. I denne øvelse skal du selv prøve kræfter med en case om biomimik!

    Hvordan finder jeg en case om biomimik?

    Du kan finde cases mange forskellige steder. Du kan blandt få inspiration til en case i undervisningsfilmene herunder:

     ”Naturen – en genial opfinder”

    ”Naturen – byggekunstens opfinder”

    Du kan også finde cases ved at søge på Google og bruge forskellige søgeord som f.eks. biomimik, bionik, biomimetik, biomimicry. Sørg for at vælge en case, du synes er sjov, spændende og repræsenterer biomimik godt. Desuden er det altid en god idé at vælge en case, du kan finde nok information om.

    Når du har fundet en case, kan du arbejde med følgende punkter:

    1) Hvad er problemstillingen i vores samfund?

    Syntetiske farver, som benyttes i mad-, tekstil- og kosmetikindustrien, skaber allergi og er under mistanke for at øge risikoen for sygdomme som f.eks. kræft hos både børn og voksne. For at undgå disse konsekvenser der følger med syntetiske farver, ønsker man at finde naturlige farver, som kan bruges i de forskellige nævnte industrier.

    2) Giv en præsentation af det naturlige fænomen.

    Naturlig rød farve, også kendt som karminsyre, kan udvindes af en skjoldlus, som findes i naturen i bl.a. Peru og i Mellemamerika. Her lever lusene på bestemte kaktusser. Man kan i disse lande indsamle lusene, og farven udvindes ved at tørre og knuse dem, så man ender med pulver. Det kræver 100.000 knuste lus for at lave et kilogram rød farve. Der er nogle ulemper ved at være afhængig af disse lus. Mængden af lus kan ændres i forhold til ændringer i temperatur, vind og regn. Desuden kan lusene blive ramt af sygdom. Hvis det er et rigtig dårligt år, og antallet af lus er meget lavt, så går det også ud over priserne og i sidste ende forbrugerne.

    3) Hvordan kan man føre fænomenet fra naturen ind i vores teknologiske verden?

    Ved at finde de gener, som udtrykker den røde farve, kan man ved hjælp af gensplejsning rykke disse gener over i en mikroorganisme. Denne mikroorganisme kan man dyrke i en fermenteringstank, og på den måde vil man få produceret en masse naturlig rød farve.

    4) Giv en vurdering af casen

    Jeg mener personligt, at det er en rigtig god måde at få produceret rød farvestof på. Det er en naturlig farve, men man er ikke længere afhængig af lus i Sydamerika. Man kan producere den røde farve lige der, hvor aftagerne af farven er.

    Hvordan kan der arbejdes med denne øvelse?

    • Dette kan udføres både som gruppearbejde eller alene.
    • Dette kan bruges som emne til temauge/temadag.
    • Dette kan afsluttes ved en skriftlig aflevering eller/samt fremlæggelse for resten af klassen.

    For yderligere inspiration kan du også undersøge dette dokument, som beskriver den case, som førte til at udtrykket bionik blev startet. Du kan desuden bruge dette dokument som inspiration til opsætningen af din egen opgave.

    Har du lyst til at prøve kræfter med fermentering i et virtuelt laboratorium, har du mulighed for at bruge Biotech Academy’s Det virtuelle Laboratorium 2.0.

    Der findes flere øvelser, som du kan vælge mellem, men i dette tilfælde skal du starte øvelsen Produktion af insulin.

  • Teori

    Teori

    Nedenfor ses en oversigt over de forskellige teoriafsnit i projektet.

    Rigtig god fornøjelse!

    Opdateret af Victoria Claudia Svendsen den 7. august 2017

    Forskere mener, at Jorden blev dannet for omkring 4,6 milliarder år siden. I en længere periode fandtes der ikke liv, da forholdene ikke var til det. Dog mener forskere, at der for 3,8 milliarder år siden, levede mikroorganismer der var i stand til at lave fotosyntese. Desuden begynder der at komme ilt i atmosfæren for 2,2 milliarder år siden, hvilket geologer har kunne se, da den rustrøde farve dukker op på jorden.

    Hvad er det, som karakteriserer liv?
    Liv er evnen til at vokse, dele sig og til at omdanne molekyler til at skabe energi og byggeklodser. Man er enige om, at det første liv har været en mikroorganisme, en slags bakterie, som kunne omdanne sollys eller uorganisk materiale til oxygen og carbon, da der på dette tidspunkt endnu ikke var oxygen i atmosfæren. Der var i starten ikke så mange bakterier, men jo flere bakterier der kom, jo mere oxygen blev der dannet. Den oxygen, som i dag findes i atmosfæren og er afgørende for vores liv, er altså resultatet af tidlig mikrobiel aktivitet.

    På nuværende tidspunkt har man fundet og beskrevet omkring 1,5 millioner forskellige arter af mikroorganismer, planter og dyr. Det er stadig ukendt, hvor mange forskellige arter, der endnu ikke er blevet fundet og beskrevet. Nogle gætter på, at der i alt er mellem 5 og 50 millioner arter på Jorden. Der er steder dybt inde i regnskovene og nede i havene, som er helt ukendte og uudforskede for os mennesker. Her findes der arter, som mangler at blive opdaget og beskrevet. Der er altså masser af muligheder for at gøre store opdagelser for fremtidens biologer! Måske du ville have lyst til at arbejde med det?

    Darwins teorier
    Charles Darwin (1809-1882) var en stor forsker inden for biologien. Du kommer sikkert til at høre hans navn mange gange endnu. Darwin grundlagde læren om organismers udvikling som følge af arvelighed, reproduktion og selektion. Inden Darwins teorier kom, mente mange, at alle dyr, mennesker og planter var skabt af Gud.

    Darwin fremsatte i 1859 en teori om den naturlige udvælgelse. Teorien lød således: ”De bedst egnede overlever”. Inden da havde Darwin rejst verden rundt, hvor han brugte tid på at studere mange dyrearter i forskellige miljøer.

    Darwin var særligt inspireret af finker på Galàpagos-øerne i Stillehavet. Disse fugle lever i næsten hele verden, og der findes mange forskellige arter. Galàpagos-øerne omfatter flere øer, og Darwin observerede flere slags finker på øerne. Der var forskel på, hvilken farve og hvilket næb fuglene havde. På en ø havde finkerne et kort kraftigt næb. Her spiste de store frø med hårde skaller. På en anden ø havde finkerne lært at bruge kaktuspigge til at få larver ud fra revner. Og på en helt tredje ø havde finkerene længere og smallere næb, som de brugte til at finde insekter. Næbbets form var i hvert tilfælde tilpasset den føde, som finkerne spiste. Alle finkerne stammer fra den samme forfader, og på et tidspunkt er levet på øerne. Her har finkerne udviklet sig for at tilpasse sig fødemulighederne. Derfor er det de nulevende arter, der har overlevet.

    Alle dyr har brug for at få deres behov opfyldt for at kunne overleve. Der kan være problemer i form af for lidt føde eller at der fødes for mange unger. Der opstår naturlig variation, som kan ses ved forskellig bygning eller adfærd. Den naturlige selektion opstår, når nogle dyr er bedre tilpasset miljøet end andre. I starten har der måske både været finker med et kort kraftigt næb og finker med et længere og smallere næb på den ø, hvor føden kom fra frø omgivet af en hård skal. På denne ø ville finker med et smalt næb ikke kunne ødelægge skallen. De havde derfor færre føde muligheder og fik af den grund færre afkom.

    Efter flere generationer vil der kun være finker med et kraftigt næb tilbage, grundet naturlig selektion. At være i stand til at få afkom og tilpasse sig levestedet kaldes succes. Måske du har hørt udtrykket ”survival of the fittest”, som dækker over det samme. Et eksempel på succes er f.eks. når finker med kort kraftigt næb giver deres gener videre til næste generation. På netop denne ø var det især finker med et kort, kraftigt næb, der kunne give deres gener videre til den næste generation.

    Når forholdene ændrer sig, er man nødt til at tilpasse sig. Nye variationer kommer, når nye forhold opstår. Det kan være, at finkerne på den ene ø ikke længere kan bruge deres næb, hvis fødekilden ændrer sig. Det kan være, at kun få vil overleve, og det er dem, der er i stand til at tilpasse sig.

    Det, som Darwin ikke vidste, var hvordan variation opstår. I dag ved vi, at variation skyldes forskelle i DNA’et – den genetiske variation.

    Genetisk variation
    At der findes en evolutionsproces skyldes, at der findes genetisk variation. Har du nogensinde tænkt på, hvorfor en asiat ikke ligner en europæer? Det skyldes forskelle i vores DNA.

    Genetisk variation opstår, når DNA’et forandres ved en ændring af basesekvensen. Disse ændringer kaldes for mutationer, og mutationer kan ske spontant alle steder i DNA’et. En mutant er en celle, som har en mutation. Der findes forskellige slags mutationer. Inden de forskellige mutationer gennemgås, så bliver dannelsen af proteiner beskrevet. Mutationer kan nemlig påvirke funktionen af proteiner.

    Dannelsen af proteiner ud fra DNA er også kendt, som det centrale dogme – DNA oversættes til RNA, som oversættes til proteiner. Det centrale dogme er inddelt i to processer – transskription og translation. Transskription er den proces, hvor den ene DNA streng oversættes, og der dannes en ny komplementær streng kaldt RNA. Translation er den proces, hvor den dannede RNA-streng oversættes til aminosyrer, og der bliver sammensat en lang kæde af aminosyer, som udgør proteiner.

    Du har læst, at DNA er opbygget af baser. Tre baser ved siden af hinanden kaldes for et codon. Disse codons koder for de forskellige aminosyrer. Nogle codons koder for den samme aminosyre, og der findes også codons, der koder for start og stop. Dette er den genetiske kode. Denne kode er fælles for alle organismer.

    Transskription starter, når enzymet RNA-polymerase genkender og binder til et område på DNA-strengen. Dette er promotor-området, og det sidder lige inden genet. RNA-polymerasen åbner den dobbelte DNA-streng, og der bliver undervejs sat nye baser på over for den ene DNA-streng. Her gælder reglen, at A altid sættes overfor T, og G altid sættes overfor C. I stedet for basen T, så er denne udskiftet med basen U (uracil) i RNA. For enden af genet er der et område, som kaldes terminator-området. Når RNA-polymerasen når dette område, så hopper den af, og vi har nu fået kopieret det ønskede gen over på en ny streng. Den nye streng kaldes for RNA-strengen. RNA-polymerasen slipper DNA-strengen, som derefter lukker sammen igen. Den nye streng indeholder dog dele, som ikke koder for noget. Disse dele kaldes for introns. De dele, som koder for noget, kaldes for exons. En RNA-streng med introns og exons kaldes for pre-mRNA, mens en RNA-streng uden introns kaldes for mRNA (messenger RNA). Alle introns bliver klippet ud, inden translationen starter.

    Når translationen skal startes, transporteres mRNA hen til ribosomerne, og det er her translationen foregår. Ribosomerne læser mRNA-strengen ligesom en kogebog. Ribosomerne læser tre baser ad gangen. Disse baser koder tilsammen for en aminosyre. Ved at arbejde sammen med tRNA (transfer RNA), som transporterer aminosyrer hen til ribosomerne, bliver der dannet en lang kæde af aminosyrer. Når ribosomet kommer til et stopcodon på mRNA strengen, er translationen endt, og aminosyrekæden frigives. Det er nu lykkedes at danne et protein ud fra koden i DNA’et.

    Mutationer er grunden til, at der findes en evolutionsproces. Mutationer kan enten ske spontant, eller de kan laves med vilje. Når man f.eks. laver forskning, så kan det være, at man ønsker at skabe nogle mutationer på en DNA-streng. Man kan skabe mutationer ved at udsætte DNA’et for f.eks. stråling eller giftige stoffer. Mutationer inddeles efter den ændring de medfører:

    • Punktmutationer

    Punktmutationer forekommer, når en base ændres til en anden. Husk, at tre baser koder for en aminosyre, og flere aminosyrer sat sammen udgør et protein. Denne mutation kan både have en dårlig, neutral eller god betydning for organismen. Det afhænger af forskellige forhold. Punktmutationer kan altså inddeles i disse grupper:

    1. En ”silent” mutation er en mutation, som ikke har nogen betydning. Det kan være fordi,mutationen ændrer en base i den del af DNA’et, som ikke koder for noget. Det kan også være, fordi de to forskellige sekvenser koder for den samme aminosyre.
    2. En missense mutation er en mutation, hvor aminosyren ændres til en anden, og de kan have flere forskellige betydninger. Det kan være, at det endelige protein ikke virker, men det kan også ske, at mutationen ikke får nogen betydning for proteinets funktion. Dette sker, hvis de to forskellige aminosyrer ligner hinanden i deres kemiske opbygning. Denne mutation kan også resultere i et protein, som virker lidt anderledes end normalt.
    3. En nonsense mutation er indsættelsen af en base, som resulterer i et stop-codon. Derfor bliver proteinet ikke lige så langt, som det burde være. Ofte virker disse forkortede proteiner ikke, men hvis mutationen først sker i slutningen af en aminosyrekæde, så kan det være, at proteinet stadig virker til en vis grad.
    • ”Frame-shift” mutationer

    En ”frame-shift” er en mutation, som ofte fører til et ødelagt protein. Dette er mutationer, hvor enkelte eller flere baser bliver indsat eller fjernet fra DNA’et. Herved ændres hele rækkefølgen af aminosyrerne.

    Biodiversitet
    Biodiversitet beskriver forskelle i farver, former og evner mellem arter. Den skyldes den genetiske variation. Diversiteten blandt mikroorganismer kan bl.a. ses i evnen til at bosætte sig i forskellige miljøer eller leve af forskellige næringskilder.

    Mikroorganismer findes alle steder på Jorden, som tillader liv at forekomme. Nogle miljøer byder på større udfordringer end andre. Det kan være meget varmt, meget koldt, meget surt (syreholdigt), meget basisk eller meget salt. Mikroorganismer, som kan leve disse steder kaldes for ekstremofiler. De kan nemlig leve i ekstreme miljøer. Ofte vender organismer det til deres fordel og udnytter materialerne, som findes i store mængder i netop det miljø. De kan derfor have svært ved at vokse i et ”normalt” miljø med standard-niveauer af de forskellige materialer. Derfor siger man, at mikroorganismen kræver det ekstreme miljø for at kunne vokse. Hvis du godt kunne tænke dig at læse mere om ekstremofiler, kan du med fordel læse projektet “Ekstremt liv”.

    Bionik og evolution
    Hemmeligheden bag de fantastiske og meget forskellige evner, som mikroorganismer besidder, er evolution. I takt med at mikroorganismer har eksisteret meget længe, så har de også haft tid til bedre at tilpasse sig omgivelserne. Det er derfor, vi ser meget sofistikerede evner hos mikroorganismerne. Disse evner kan udnyttes ved at forbinde med den nyeste teknologi. Uden evolution ville der ikke være diversitet og de særlige evner, som vi ser i dag hos så mange forskellige mikroorganismer.  Nogle evner forstår vi at udnytte – andre evner er bare imponerende!

    Spørgsmål – test din viden 

    1. Hvad er karakteristisk for liv?
    2. Beskriv kort hvad Darwin så hos finkerne.
    3. Hvor i cellen foregår hhv. transskription og translation?
    4. Nævn en slags mutation og den ændring den medfører.

    Opdateret den 7. august 2017

    Mikroorganismer kan producere farvestoffer, alkohol, medicin og mange andre stoffer, som mennesker har stor glæde af. Men hvad er en mikroorganisme egentlig?

    Mikroorganismer er en gruppe af organismer, som kan defineres på forskellige måder. Ofte siger man, at det er organismer, som er så små, at man ikke kan se dem med det blotte øje, og som derfor skal ses i et mikroskop. Til gruppen hører følgende organismer: bakterier, svampe, encellede dyr og alger.

    I dette projekt bliver bakterier og svampe gennemgået, da det er disse organismer, som vi ”ansætter” i bioteknologiske virksomheder.

    For at finde en mikroorganisme skal du ikke lede længe. Mikroorganismer findes nemlig i alle miljøer omkring os. De findes i luften, i vandet og på jorden. Faktisk er der næsten ikke nogen steder på Jorden, hvor der ikke kan bo mikroorganismer. Vi har endnu ikke været alle steder på Jorden, og derfor har vi heller ikke fundet alle Jordens forskellige arter af mikroorganismer endnu. Man kan også finde mikroorganismer, som lever inde i vores tarme. Mikroorganismer kan også leve på madvarer. Kort sagt, så findes mikroorganismer overalt!

    For senere at kunne forstå fermentering og hvordan denne proces foregår, så er det vigtig at vide, hvordan en celle er opbygget, og hvilke behov celler har.

    Cellebiologi
    Alle levende organismer er opbygget af celler. Nogle består kun af en enkelt celle, mens andre, f.eks. mennesker, består af milliarder af celler. Celler er den mindste byggeklods, som findes. Hver celle har en speciel struktur og mange funktioner, alt efter hvilken slags celle det er. Der findes en opskrift på, hvordan en celle skal se ud, dele sig, hvordan den skal udføre forskeligt arbejde, samt hvordan den skal snakke sammen med andre celler. Opskriften kaldes for cellens genom, som er samlingen af alle cellens gener. Man kan sige, at hvert gen er en opskrift i den store kogebog, genomet. Et genom består af DNA-molekyler, som er lange strenge opbygget af små enheder kaldt nukleotider. Et nukleotid består af en følgende fire baser:

    • A (adenin)
    • T (thymin)
    • G (guanin)
    • C (cytosin)

    Disse baser er alle sat sammen med et sukkermolekyle og en fosfatgruppe. Man kan beskrive DNA’s struktur, som en snoet trappe, hvor hvert trappetrin ser forskelligt ud. Det kan enten være rødt (A) og grønt (T) eller gult (C) og lilla (G). Gelænderet på begge sider er ens – idet der hører et sukkermolekyle og en fosfatgruppe til begge sider af hvert trin.

    Et enkelt gen består af en række af A’er, T’er, C’er og G’er. Hvert gen indeholder opskriften på et protein, som cellen kan lave, hvis der er brug for det. Når proteinerne er lavet, så er det dem, der udfører alle cellens funktioner. Det er ikke hele den lange DNA streng, som koder for et gen. De DNA-stykker, som ikke koder for et protein, kaldes introns.

    De dele af DNA’et, som koder for et protein, kaldes for exons. Det er vigtigt at forstå, hvad et gen er, da det er de egenskaber, som ligger i generne, der gør mikroorganismerne eftertragtede.

    Celler har hele tiden brug for næringsstoffer til at arbejde og bygge nye celler. Ligesom vi skal spise mad flere gange om dagen for at kunne fungere og gå på arbejde, så er det også vigtigt, at vi sørger for, at mikroorganismerne får næring. En celle består af en masse forskellige molekyler, hvor de fleste kan inddeles i fire grupper, som de vigtigste:

    • Proteiner
      Proteiner er meget vigtige for, at cellen kan leve og dele sig. Det er bl.a. proteiner, somnedbryder den mad, vi spiser. En stor gruppe proteiner kaldes for enzymer. Det ermolekyler, der sørger for at kemiske processer sker hurtigere. Alle proteiner er opbygget af lange kæder af aminosyrer. Der findes 20 forskellige aminosyrer, og proteiner kan være sammensat på uendelig mange måder. Tre baser af A, T, C eller G i en bestemt rækkefølge koder for en bestemt aminosyre. Dette kaldes for ”den genetiske kode”. Proteiner kan bestå af et par hundrede til flere tusinde aminosyrer. Aminosyrer, ”den genetiske kode” og proteiner vil du lære meget mere om i afsnittet ”Evolution – naturen i udvikling”.
    • Kulhydrater
      Kulhydrater er opbygget af de tre grundstoffer carbon (C), hydrogen (H) og oxygen (O). Andre ord, som du måske har hørt, der beskriver kulhydrater, er sukker, stivelse, kostfibre eller sukkerstoffer. Den mindste del af et kulhydrat er et monosakkarid. Et eksempel på et monosakkarid er glukose. Glukose er et andet ord for druesukker, som f.eks. findes i sodavand. Det sukker, som står hjemme i køkkenet, og som man bruger til f.eks. bagning kaldes sukrose. Sukrose er et disakkarid. Et disakkarid er opbygget af to monosakkarider. Kulhydrater er meget vigtige for cellen til omdannelsen af energi.
    • Fedt
      Fedt kaldes i biologien for lipider. Man kan få en masse energi ud af lipider, men de bruges også til opbygning af nye celler. Lipider findes nemlig i cellemembranen.
    • Nukleinsyrer
      Nukleinsyrer er opbygget af nukleotider, som beskrevet tidligere. Et eksempel på en nukleinsyre er DNA. Nukleotider bruges altså til at lave nyt DNA, hver gang cellen deler sig.

    Nu har du lært noget om det, som er fælles for alle organismer – hvad en celle og et gen er, og hvilke næringsstoffer en celle har brug for. Men mikroorganismer ligner ikke alle sammen hinanden, selvom grundstenene er de samme. Mikroorganismer kan inddeles i to grupper alt efter, hvordan den enkelte celle er opbygget. Hvis cellen ikke har en kerne, kaldes den for en prokaryot celle. Har cellen derimod en kerne, kaldes den for en eukaryot celle.

    Bakterier er mikroorganismer, som kun består af en enkelt celle og hører til gruppen prokaryoter. Det er vigtig at huske, at prokaryote celler ikke har nogen cellekerne. En prokaryot celle indeholder følgende strukturer:

    • Cellemembran
      Yderst har en bakterie en cellemembran, som er sat sammen af forskellige lipider. Cellemembranens meget vigtige funktion er at beskytte cellen mod de ydre omgivelser. Cellemembranen beskytter også det indre miljø ved at holde det samlet. Det er meget vigtigt for bakteriens overlevelse, at membranen ikke går i stykker. Transport af vigtige molekyler foregår gennem cellemembranen. Her er nogle forskellige kanaler, som f.eks. kan forsyne cellen med næringsstoffer. Affaldsstoffer, som bliver produceret inden i cellen, transporteres ud igennem membranen. Nogle bakterier har udviklet et ydre lag, rundt om cellemembranen, som kan give dem ekstra beskyttelse.
    • DNA
      Inde i cellen finder man bakteriens DNA liggende frit. Det er formet som en enkelt rund kæde. Bakterier har ofte ekstra DNA i form af små ringe, som kaldes plasmider.
    • Ribosomer
      Dette er cellens proteinfabrik. Herinde dannes proteinerne ud fra aminosyrer. Rækkefølgen af aminosyrer eller opskriften på proteinet findes i DNA’et.
    • Cytoplasma
      Cellen er fyldt op med cytoplasma, som er en slags væske. Forestil dig, at du har en ballon. Inde i ballonen lægger du noget snor (DNA) og nogle perler (ribosomer), og bagefter fylder du den med vand (cytoplasma) og lukker den.
    • Flagella og pili
      Nogle bakterier har også mulighed for at bevæge sig, da de har udviklet såkaldte flagella, som er opbygget af protein. Du kan forestille dig, at flagella er ligesom fødder, og at vi ikke ville kunne gå rundt uden dem. Endelig har nogle bakterier udviklet små hår, som sidder på ydersiden af membranen. Disse hår kaldes for pili, og gør det muligt for bakterien at klistre sig til andre bakterier og overføre DNA til dem.

    Svampe hører til gruppen af organismer, der kaldes eukaryoter. Eukaryoter dækker over alle organismer, hvis celler har en cellekerne. Eukaryote celler er ofte meget større end bakterieceller, da der findes mange flere rum og organeller (se ordlisten) inde i cellen. En eukaryot celle indeholder følgende strukturer:

    • Cellemembran
      Yderst findes der en ydre cellemembran. Den har den samme funktion, som cellemembranen rundt om den prokaryote celle. Svampe har også en cellevæg rundt om membranen.
    • Indre kerne og DNA
      Inde i cellen er der en indre kerne, som også er omgivet af en membran. I denne kerne findes cellens DNA, der er formet som lange tråde.
    • Ribosomer
      Proteinfabrikken (den samme som findes hos bakterier).
    • Mitokondrier
      Det er energifabrikken, hvor sukker omdannes til energi i form af ATP (se ordliste). Denne proces kaldes for respiration. Cellen bruger den dannede energi til at vokse og arbejde.

    Sukker + Oxygen —> Kuldioxid + Vand + Energi

    Man kan også skrive denne ligning med hjælp af kemiske symboler. Det vil man ofte gøre, og så ser det således ud:

    C6H12O6 + O2 —> CO2 + H2O + ATP

    • Det endoplasmatiske retikulum
      Det endoplasmatiske retikulum (ER) er delt op i en glat del og en ru del. Den ru del hjælper med at danne og transportere proteiner, mens der i den glatte del bliver dannet fedtstoffer.
    • Golgi-apparatet
      Golgi-apparatet har betydning for den videre behandling af proteiner. Golgi-apparatet modtager nydannede proteiner fra det ru endoplasmatiske retikulum, hvorefter det sørger for at færdigbehandle, sortere, pakke, og transportere proteiner derhen hvor de skal. Det kan både være inden i eller uden for cellen.
    • Lysosomer
      Lysosomer er cellens skraldemænd. De nedbryder de stoffer, som er blevet optaget af cellen f.eks. bakterier eller stoffer, der er produceret inde i cellen, som f.eks. nedslidte stoffer.
    • Cytoplasma
      Alle de ovennævnte strukturer ligger og flyder rundt i cytoplasmaet inden i cellen ligesom i en prokaryot celle.

    De celler, som mennesker er opbygget af, er også eukaryote celler. Det er vigtigt at huske, at både prokaryote og eukaryote celler er opbygget af de samme molekyler (proteiner, kulhydrater, fedt og nukleinsyrer), men at strukturen af de forskellige celler er forskellig.

    Mere om bakterier
    Bakterier er en meget stor gruppe af mikroorganismer. En lille klump jord indeholder milliarder af bakterier. De er ofte encellede organismer, men der findes eksempler på flercellede prokaryoter. Bakterier kan danne kolonier, som består af mange enkelte bakterieceller. De kan også danne kæder eller par. Hver enkelt bakterie er dog en helt selvstændig celle og vil kunne leve alene. Dette er vigtig at huske, da det karakteriserer en encellet organisme.

    Bakterier er meget små, og man skal bruge et mikroskop for at kunne se dem. Desuden findes de i et stort antal forskellige former. De kan være runde, aflange eller formet som en lang tråd. Formen på en bakterie kan hænge sammen med det sted den lever.

    Forskellige bakterier kan have forskellige krav til næringsstoffer og andre forhold. Disse krav er afgørende for, at bakterien kan dele sig og danne energi.

    Nogle bakterier opbygger nye byggeklodser af organisk materiale, mens andre bakterier kan leve af uorganiske stoffer.

    Desuden kan der for nogle bakterier være krav om, at der er oxygen tilstede i miljøet. Andre bakterier vokser dog slet ikke hvis der er oxygen i deres omgivelser. Der findes også en gruppe bakterier, der er i stand til at leve både med og uden oxygen.

    Dannelsen af energi kan også foregå på forskellige måder. Nogle bakterier får energi fra respiration (se beskrivelsen under Mitokondrier), mens andre bakterier danner energi fra sollys. Dette kaldes for fotosyntese. Alle planter, alger og nogle bakterier kan lave fotosyntese:

    Kuldioxid + Vand + Energi fra sollys —> Kulhydrat + Oxygen

    CO2 + H2O + Energi —> C6H12O6 + O2

    Den energi, som bakterier får, bruges til at opbygge byggeklodser til at lave nye celler eller reparere dele i cellen. I forhold til fermentering er det vigtigt at kende de krav til leveforhold, som er nødvendige for at en bakterie kan opnå succes. Det vil du høre meget mere om under overskriften Sådan fungerer fermentering”.

    Bakterier findes som nævnt overalt i naturen. Nogle bakterier er afhængige af, at de lever i havet, mens andre bakterier kræver adgang til oxygen. Nogle bakterier kan lide, at det er koldt, mens andre bakterier kan leve ved temperaturer på over 100°C. Der lever eksempelvis også bakterier i vulkaner. Bakterien tilpasser sig således lige netop det miljø, som den lever i. Hvis du vil læse mere om disse bakterier, kan du med fordel læse ”Ekstremt liv”.

    Bakterier kan både være gode og dårlige for os. Nogle sygdomme skyldes bakterier. Måske har du prøvet at være syg med lungebetændelse, eller måske har du haft huller i tænderne? Så er det fordi, nogle bakterier har valgt at bo i dine lunger eller i din tand. Der findes også en del bakterier, som er rigtig gode og sørger for, at vi ikke bliver syge.

    Dette projekt handler om de gode bakterier. Her ”ansætter” vi dem til at producere forskellige produkter, som vi kan bruge. Bakterier bruges bl.a. i produktionen af mælk. Disse bakterier kaldes mælkesyrebakterier, og de er med til at give mælk den rigtige smag og konsistens. Så uden bakterier ville din mælk ikke se ud, som den du drikker i dag!

    Mere om svampe
    Svampe er en stor gruppe af organismer. Der er beskrevet mere end 100.000 forskellige svampe, men man tror, at der findes omkring 1,5 millioner. Jeg er sikker på, at du kan navnet på en eller flere svampe. Hvad hedder dem, man ofte spiser? Svampe kan inddeles i tre grupper: Skimmelsvampe, storsvampe og gærsvampe. De spiselige svampe hører til gruppen af storsvampe. Skimmelsvampe og storsvampe er flercellede organismer. Flercellede organismer består af mange celler, som arbejder sammen. Gærsvampe er encellede organismer ligesom bakterier. Det gær, som man kan købe i supermarkedet og bruge til at bage brød, er altså en svamp. Svampe er eukaryote organismer, og hver celle har altså et anderledes udseende end en bakteriecelle. Langt de fleste svampe er opbygget af såkaldte hyfer, som er lange rørformede celler, og når de vokser, så forgrener de sig. Disse forgreninger bliver til et helt netværk af celler, og dette netværk kaldes for svampens mycelium eller en mycelle. Man kan beskrive det som et træ. Hvert blad (celle) er forbundet via grene. En gren (hyfe) med flere blade er forbundet til andre, og tilsammen udgør de et helt træ (mycelle). Hyferne kan kun ses med et mikroskop, da de er meget små, men tit kan man se en mycelle uden. En gærsvamp danner ikke disse hyfer, da gærsvampe består af enkelte gærceller, som lever uden at være forbundet med andre celler.

    Svampe vokser, hvis der i miljøet omkring dem findes organisk materiale som kulhydrater og proteiner f.eks i form af træ eller brød. Når svampene udskiller enzymer, vil disse kulhydrater og proteiner blive nedbrudt til mindre dele, som svampen kan optage gennem deres membraner. De optagede stoffer kan bruges til svampens vækst eller dannelsen af energi.

    Svampe har forskellige navne, alt efter hvor de får deres næringsstoffer fra. Svampe, som nedbryder og lever af dødt organisk stof som døde dyr og planter, kaldes for nedbrydere. En svamp kan også være en parasit, der lever af næringsstoffer fra levende celler som f.eks. korn eller levende planter. Samtidig med at svampen spiser, bliver planten dårligere og dør på et tidspunkt. Svampe kan også godt leve sammen med andre organismer uden at dræbe dem. Hvis en svamp og en plante lever sammen uden problemer, så kaldes det for en symbiose. Det kan f.eks. være, at svampen suger vand og næringsstoffer til et træ og til gengæld får svampen nogle andre næringsstoffer fra træet. De har på denne måde begge fordele ved forholdet.

    Svampe kan leve i mange forskellige slags miljøer. Nogle svampe lever i jorden, mens andre bor i flydende eller fugtige miljøer. De kan leve i vores køleskab på f.eks. oste, og de kan findes i miljøer med eller uden oxygen. Svampe er rigtig gode til at leve under ekstreme forhold. Det kan være steder, hvor temperaturen er meget høj, eller pH-værdien er meget lav f.eks. i sur jordbund.

    Svampe kan altså både være gode og dårlige. Nogle svampe kan være meget vigtige i forhold til det miljø, som de bor i bl.a. ved nedbrydningen af forskellige næringsstoffer. Men de kan også være giftige og medføre sygdomme i dyr og mennesker.

    Du skal i dette projekt lære om, hvordan vi har gavn af bakterier og svampe, og hvordan de hjælper os med at producere forskellige stoffer. Har du nogensinde fået penicillin, fordi du har haft halsbetændelse? Penicillin er et lægemiddel, som man kan give mod sygdomme, som skyldes bakterier. Penicillin bliver naturligt produceret af svampe, kaldt Penicillium-svampe.

    Mikroorganismer som små fabrikker
    Mikroorganismer har mange forskellige evner og forskellige funktioner. Du har læst om, hvordan bakterier kan beskytte os mod sygdomme, og om hvordan svampe kan sørge for, at et træ kan overleve. Ud over disse roller har mikroorganismer også indtaget en rolle i vores teknologiske samfund. Når vi vasker tøj,  bruges enzymer produceret af mikroorganismer. Når vi tager medicin f.eks. mod sukkersyge (diabetes), så bruges insulin produceret af mikroorganismer.

    Mikroorganismer kan naturligt producere mange forskellige stoffer. Disse kaldes enten for primære eller sekundære metabolitter. De primære metabolitter bliver produceret, når organismen vokser. Det er ofte stoffer, som er nødvendige for, at mikroorganismen kan vokse. Sekundære metabolitter dannes, når den er færdig med at vokse, og de har derfor ikke betydning for vækst eller overlevelse. Nogle produkter, som mikroorganismer producerer naturligt, er interessante i den bioteknologiske forskning, da det kan være gavnligt i vores hverdag, som f.eks. anvendelsen af enzym i vaskemiddel. Mikroorganismen kan altså have et eller flere gener, der koder for det specifikke produkt.

    Efter opdagelsen af mikroorganismer og forståelsen af deres evner er mikroorganismer blevet integreret i forskellige industrier. Deres evner udnyttes bl.a. i fødevareindustrien og landbruget, samtidig med, at de kan producere værdifulde produkter, generere energi og være til gavn for miljøet. De udnyttes også i medicinalindustrien og i bioteknologiske firmaer.

    Dog kan der være problemer, f.eks. kan det være, at vi ikke kan dyrke organismen i en fermenteringstank, eller at organismen slet ikke producerer nok af det ønskede produkt. Heldigvis kan nogle bakterier vokse i en tank. Flyttes det nyttige gen fra mikroorganismen over i bakterien, vil processen kunne løbe med stort udbytte. Hvordan man gør dette, kommer i afsnittet ”Hvad er det, vi kan?”.

    At dyrke en mikroorganisme i en tank og udvinde det stof, som den producerer, kaldes for fermentering. Fermentering er en kæmpe industri i hele verden, og der findes flere store danske virksomheder, som arbejder med dette. Har du mon hørt om Novo Nordisk, Novozymes eller Chr. Hansen?

    Ved fermentering udnytter man en mikroorganisme. Man kan sige, at fermenteringstanken svarer til firmabygninger, og mikroorganismerne svarer til medarbejderne. Fermentering vil blive gennemgået i et senere teoriafsnit.

    Mikroorganismer og bionik
    Mikroorganismer findes i et meget stort antal, og de kan leve i ekstreme omgivelser. De ekstreme omgivelser giver os mulighed for at lære af deres måde at overleve disse omgivelser på. De har evnen til at omdanne og producere produkter, som vi ikke engang selv kan producere. At blive inspireret og udnytte deres evner er netop sammenhængen mellem mikroorganismer og bionik. Vi bliver ikke kun inspireret af mikroorganismer, men vi ”ansætter” dem også i vores firmaer. De kan endda være meget billigere end en normal (menneskelig) medarbejder! Nogen gange kan vi også lære nyttige ting fra skadelige mikroorganismer. Der ligger stadig meget viden gemt hos mikroorganismerne – både de gode og dårlige. Har du endnu ikke set filmen ”Bioteknologiens skatkammer”, så kan du se den nu og opleve flere eksempler på mikroorganismer og bionik.

     Spørgsmål

    1. Hvad er et gen?
    2. Hvad er forskellen på en bakteriecelle og en svampecelle?
    3. Nævn en god ting, som en bakterie kan.
    4. Nævn to metoder, hvorpå mikroorganismer får dannet energi.

    Opdateret den 7. august 2017

    Fermentering er den proces, hvor man dyrker mikroorganismer industrielt for at producere et bestemt stof. Produkterne kan være medicin, enzymer, farvestoffer og mange andre ting. Både svampe og bakterier bruges til disse fermenteringer.

    Den generelle opbygning af en fermenteringsproces starter med, at man producerer det medie der skal bruge. Et medie indeholder de næringsstoffer, som mikroorganismen skal bruge for at overleve. Derfor er det en stor fordel, hvis man har et dybdegående kendskab til den organisme, som man skal bruge. Når man har lavet mediet, skal det steriliseres sammen med fermenteringstanken og eventuelt tilbehør. Sterilisering betyder, at man dræber alle de mikroorganismer, som f.eks. kom ind i tanken, da man samlede den. Hvorfor sterilisering er vigtigt, vil du læse senere. Først efter steriliseringen tilføres tanken de mikroorganismer, som man har valgt at arbejde med. Dette kaldes podningen (inokulering). Herefter gælder det om at give mikroorganismerne de mest optimale forhold for at få den til at producere så meget som muligt. Det kan f.eks. være, at man skal sørge for, at der er den rigtige temperatur i tanken. Når fermenteringen er færdig eller bliver afsluttet, så udvinder man produktet og fjerner andre stoffer. Desuden sørger man for ordentlig oprydning og bortskaffelse af eventuelle affaldsprodukter.

    For at opnå det største udbytte, er der mange forskellige ting man skal tage højde for. Anabolisme dækker over de reaktioner, som kræver energi. At opbygge et produkt fra næringsstoffer er en anabolsk proces, og den bruger energi for at forløbe. Katabolisme er det modsatte. Kataboliske reaktioner frigiver energi, når større molekyler nedbrydes til mindre. Disse to ting er vigtige at huske, da man skal bruge både energi og små molekyler til opbygning af det ønskede produkt.

    Fermenteringsprocessen vil nu blive gennemgået i de trin, som man også udfører i virkeligheden.

    Vækstforhold
    Mikroorganismer kræver forskellige næringsstoffer for at kunne vokse. Væksten er afgørende for, at mikroorganismen producerer en stor mængde produkt. Man skal huske at tage højde for, at mikroorganismer er forskellige. Nogle organismer kræver et slags næringsstof, mens andre måske foretrækker et andet. Der kan også være forskel i mængden, der er behov for. Nogle næringsstoffer er nødvendige i store mængder, mens andre kun er nødvendige i små mængder.

    Fire grundstoffer er nødvendige for vækst, det drejer sig om:

    • Carbon (C)
    • Nitrogen (N)
    • Hydrogen (H)
    • Oxygen (O)

    Du har lært, at en celle hovedsageligt består af vand og makromolekyler – proteiner, lipider, nukleinsyrer og kulhydrater. Udover de fire grundstoffer kan det også være nødvendigt at tilsætte andre grundstoffer i større eller mindre mængde. Dette drejer sig om:

    • Fosfor (P)
    • Svovl (S)
    • Selen (Se)
    • Kalium (K)
    • Calcium (Ca)
    • Jern (Fe)

    Kalium og jern kan være nødvendige for aktiviteten af flere enzymer og for proteiner, mens calcium kan hjælpe nogle mikroorganismer med at stabilisere deres cellevæg. Vækstfaktorer, som tilføjes i små mængder, er vitaminer og aminosyrer. Disse tilføjes, selvom de fleste mikroorganismer selv er i stand til at danne dem. Ved at undersøge sammensætningen af næringsstoffer i det miljø, som mikroorganismen oprindeligt lever i, kan man få oplysninger om hvilke stoffer, der vil være nødvendige og vigtige at tilføre for at opnå en god vækst. Det er ikke godt, hvis mikroorganismer ikke kan leve under de forhold, som man har sat op til dem. Så vil man ikke få produceret det ønskede produkt.

    Medie
    Alle de nævnte stoffer, som tilføres for at sikre en god vækst, findes i et dyrknings-medie. Mediet designes ud fra forskellige parametre, bl.a. hvilken slags mikroorganisme der skal arbejdes med. At designe dette medie er ikke nemt, og man må være meget opmærksom under forberedelserne, for at opnå en god produktion. Der findes i dag mange mikroorganismer, som endnu ikke er blevet dyrket i et laboratorium eller i en fermenteringstank. En af grundene til dette er, at man ikke har kunnet give dem de rette næringsforhold.

    En problemstilling, som virksomhederne ofte arbejder med, er:

    Produktion af størst muligt udbytte af produktet per gram forbrugt medie.

    Derudover skal der gerne produceres et minimalt udbytte af andre produkter, som man ikke ønsker. Krav til mediet er, at det skal være nemt at producere, og at det skal være billigt.

    Der findes to forskellige kategorier af medier – et defineret medie og et komplekst medie. Når man producerer et defineret medie, så ved man præcist, hvad det indeholder, og man ved præcist, hvor meget man tilfører af de forskellige stoffer. Man kender derfor den specifikke sammensætning af mediet. Et komplekst medie består af komponenter, hvor man ikke kender den præcise sammensætning. Man er altså ikke helt klar over, i hvilke mængder de forskellige stoffer findes i mediet. Man kan sige, at et defineret medie laves ud fra en opskrift, hvor man får opgivet hvor mange gram, man skal tilføje af hver ingrediens. Et komplekst medie er så opskriften, hvor der kun er givet navnet på ingredienserne – men ikke mængden. I et defineret medie ved du, at du skal bruge 10 gram sukker, men i et komplekst medie ved du kun, at du skal bruge sukker. Fordelen ved et komplekst medie er, at det er lidt billigere end et defineret medie.

    Som tidligere nævnt er der nogle vigtige stoffer, der skal tilføjes til en fermentering for at opnå gode vækstforhold. Når man producerer mediet, kommer disse stoffer fra forskellige kilder.

    • Carbon
      Carbon kan komme fra f.eks. glukose. Carbon findes i kulhydrater, og normalt vælger man at bruge stivelse, da det er nemmest at skaffe. Valget kan dog falde på et andet materiale alt efter, hvilket produkt man ønsker at producere. Ofte vil produkter af lav værdi blive produceret i store mængder, mens produkter af høj værdi vil blive produceret i mindre mængder. Hvis man skal producere et produkt af høj værdi, kan man vælge en lidt dyrere carbonkilde, da man ikke skal bruge så meget.
    • Nitrogen
      Nitrogen finder man enten i et organisk eller uorganisk materiale. Organiske materialer, som indeholder nitrogen er aminosyrer eller proteiner. Uorganiske stoffer, som indeholder nitrogen, er ammoniumsalte.

    Herudover skal mediet tilføres de mineraler, grundstoffer og vitaminer, der er nødvendige for vækst. Og til sidst skal der tilføres vand. Nu har vi lavet et medie. Det næste trin er at bygge en fermenteringstank, som vi kan putte mediet i.

    Fermenteringstank
    En fermenteringstank kaldes også for en bioreaktor. De vigtigste egenskaber for en fermenteringstank er, at den er steril og at man kan måle og styre en række forhold, f.eks. temperaturen. Det man tilfører og får i udbytte kan derved nøje kontrolleres.

    Selve reaktoren kan enten være lavet af glas eller stål. Ofte er små tanke lavet af glas, mens store tanke er lavet af stål. De findes i mange forskellige størrelser, alt efter om de bruges til forskning eller produktion med henblik på salg.

    For at have en reaktor kørende, skal man have adgang til elektricitet, vand og luft. Luften kan enten være oxygen, nitrogen eller kuldioxid. Luften tilføres væsken i tanken gennem nogle rør. I enden af røret er der et lille hul, så luften kan komme ud i væsken og blive opløst. Inden luften kommer ned i tanken, skal det igennem et sterilfilter. Dette gøres for at undgå kontaminering.

    Når luften er kommet ind i tanken, skal den fordeles rundt til cellerne. Nede i tanken findes en omrører. Den hjælper med at overføre luften til væsken og med at fordele luft og næringsstoffer rundt i hele tanken til alle celler. Omrørerene kan have forskellige former. Det er vigtigt, at formen ikke ødelægger cellerne. Ud over en omrører sidder der også et redskab, som kaldes en strømbryder. Det er nogle plader, der sidder fast i tanken. Pladernes formål er at bryde strømmen, således at næringsstoffer og oxygen bliver fordelt bedst muligt.

    Ud over rør til luft, omrører og strømbrydere sidder der forskellige målesonder, som har kontakt med væsken. En af disse sonder måler hvor meget luft (oxygen, nitrogen eller kuldioxid), der er opløst i væsken. Denne måling er vigtig, da man skal holde øje med, om cellerne får den helt rigtige koncentration af oxygen tilført.

    Der er også en pH-måler. Du har lært, at mikroorganismer kræver forskellige forhold. Nogle vokser bedst ved en pH på 2, mens andre vokser ved en neutral pH. Ved hjælp af pH-måleren kan man tilføre syre eller base for at rette op på pH-niveauet. Hvis pH er for lav, tilføres base, og hvis pH er for høj, tilføres syre. Der skal derfor tilsluttes pumper og rør, som kan lede enten syre eller base ind i tanken.

    Der findes også en temperaturmåler. At kunne ændre temperaturen er vigtigt, da den godt kan svinge under fermenteringen. Hvis det er for varmt, vil cellerne dø, og hvis det er for koldt, kan cellerne ikke vokse hurtigt nok, og produktionen vil derfor tage længere tid. Man kan ændre temperaturen på to forskellige måder – med eller uden en dobbeltvæg rundt om tanken. Med en dobbeltvæg menes et ekstra rum med vand rundt om tanken. Vandet regulerer temperaturen inden i tanken ved enten at: 1) fjerne varme, hvis vandet har en lavere temperatur end det, som er inden i tanken; eller 2) tilføre varme, hvis vandet har en højere temperatur. Man kan styre vandets temperatur via en computer.

    Man ønsker også at have mulighed for at kunne tage sterile prøver ud fra tanken. Det kan foregå fra en åbning i toppen af tanken med en steril sprøjte.

    En fermenteringstank består altså af følgende:

    • En tank
    • En omrører, der er forbundet med en motor
    • En pumpe og et filter til luft samt et rør til indføring af luft
    • Strømbrydere
    • Målere til pH, temperaturen og niveauet af opløst luft
    • En åbning tilknyttet sprøjter til udtagning af prøver
    • pH-reguleringssystem i form af syre og base med pumper og slanger ind til tanken
    • Temperaturreguleringssystem i form af en dobbeltvæg med vand eller en enhed, der kan tilføre eller fjerne varme fra et medie

    I den moderne verden er der mange processer, som er blevet automatiske takket være computere og robotter. Instrumenterne, som man bruger til at måle luft, pH og temperatur, er koblet til en computer, der hele tiden holder øje med værdierne. Det kan f.eks. ønskes, at pH værdien skal være 7 gennem hele processen. Måske falder pH i tanken til 4 om natten, og hvis der ikke bliver tilsat base, så slår den lave pH mikroorganismerne ihjel. Computeren har registreret, at pH værdien er faldet, og derfor tænder den for nogle pumper, som kan pumpe base ind i tanken. Næste morgen, lever vores mikroorganisme heldigvis stadig. Uden denne automatik skulle fermenteringen startes forfra. Efter mediet er produceret og fermenteringstanken er bygget – hvad skal der så ske?

    Tre typer fermenteringer
    Inden en fermentering starter, skal man have fundet ud af, hvilken slags fermentering, man gerne vil køre. Der findes tre forskellige typer fermenteringer:

    • Batch
      I en batch fermentering er alle næringsstoffer i tanken fra starten. Herefter podes der med mikroorganismen. Fermenteringen stopper, når det begrænsende næringsstof er opbrugt. Med det menes, det nærringstof som opbruges hurtigst og derved stopper fermenteringen.
    • Fed-batchI en fed-batch fermentering tilføres der løbende næringsstoffer, efter at fermenteringen er sat i gang. Det kræver derfor ekstra udstyr i form af en pumpe til at føre næringsstof ind i tanken. Her stopper fermenteringen, når tanken er fyldt, og der ikke kan være mere i den.
    • Kemostat
      I en kemostat bliver der også tilført næringsstoffer efter podning, men der bliver også fjernet celler, brugte næringsstoffer og produktet. Denne metode benyttes ofte i industrien. Der skal bruges ekstra udstyr i form af en pumpe til at få næringsstof ind i tanken og en pumpe til at få celler ud af tanken.

    Der er forskellige fordele og ulemper ved de forskellige typer fermenteringer. Alt efter hvilken organisme man arbejder med og hvilket produkt, man gerne vil have ud, så vælger man en af de tre typer.

    Efter at mediet og fermenteringstanken er fundet og typen af fermenteringstank er bestemt, skal mediet og tanken steriliseres. Dette gøres ved at brug af meget høje temperaturer og tryk, som dræber de eventuelle mikroorganismer, som kunne findes i tanken eller mediet. Det er meget vigtigt, at der ikke er andre mikroorganismer i tanken end den eller dem vi ønsker at arbejde med. Hvis der er andre til stede, kan der opstå en konkurrence om næringsstoffer mellem vores mikroorganisme og de uønskede. Der kan ske det, at de uønskede vinder og derved optager alle næringsstoffer. I denne situation vil der ikke blive produceret noget af det ønskede produkt, og man skal starte helt forfra med at producere et nyt medie. Derfor er det også vigtig at have handsker på og huske at spritte hænderne af med ethanol.

    Når vi har sikret os, at mediet og tanken er sterile, kan vi tilføre mikroorganismen til tanken. Det kaldes som nævnt for podningen. Det er meget vigtigt, at man også udfører podningen sterilt, så vi ikke får tilført andre organismer end den, vi skal bruge. Man kan tilføre organismen ved hjælp af en sprøjte, som man stikker igennem en membran øverst i låget. Så snart man fjerner sprøjten igen, lukker hullet i membranen sammen. Heldigvis lykkedes det os at pode uden kontaminering! Nu er vores del af arbejdet færdigt, og mikroorganismen begynder at arbejde for os.

    Undervejs er det vigtigt at holde øje med de forskellige forhold, så man er sikker på, at mikroorganismen har det så godt som muligt. Man skal holde øje med pH, opløst luft og temperatur. Undervejs kan man også holde øje med væksten af mikroorganismen nede i tanken. En god vækst er nemlig et tegn på en god produktion. En mikroorganisme kan være i forskellige vækstfaser, som alle kan give os en ide om, hvor god produktionen er på det pågældende tidspunkt.

    • “Nølefasen”
      I starten findes der en ”nølefase” også kaldt for ”lag fasen”, hvor man ikke ser nogen vækst eller kun meget lille vækst. Mikroorganismen skal lige vænne sig til forholdene og mediet i tanken, før mikroorganismen begynder at optage og omdanne næringsstofferne.
    • “Den eksponentielle fase”
      Denne fase starter, når cellerne begynder at fordoble sig i et bestemt tidsinterval. Hvor hurtigt de vokser og deler sig, afhænger af, hvor gode forholdene i tanken er.
    • “Den stationære fase”
      Denne fase forekommer, når der ikke længere er vækst. På dette tidspunkt har cellerne brugt alle de næringsstoffer, der var tilstede i tanken.
    • “Dødsfasen”
      Dette er den sidste fase, hvor antallet af levende celler falder. Det sker pga. manglede næringsstoffer og eventuelle affaldsstoffer, som virker hæmmende på cellernes vækst.

    Man kan måle væksten af celler ved at udtage en prøve til en såkaldt OD-måling. OD står for optisk densitet. Man udtager en prøve fra tanken, og denne prøve overføres til et lille rør. Røret kaldes for en kuvette. Kuvetten stilles ind i et instrument, et spektrofotometer, der måler prøvens OD. Spektrofotometret sender lys igennem prøven. Cellerne og andre strukturer i prøven f.eks. opløste molekyler vil påvirke lyset således, at det svækkes. Spektrofotometret kan måle, hvor meget lyset svækkes. Jo højere OD bliver, jo højere er celleantallet. OD-målinger bruges tit i mange laboratorier til at holde øje med væksten af celler.

    Nu er fermenteringen slut! Inde i tanken vil det færdige produkt, celler og ubrugte næringsstoffer være tilbage. Man bruger nu tid på at oprense produktet, så man kan sælge et rent produkt til kunderne uden celler og næringsstoffer i.

    Spørgsmål – test din viden

    1. Hvad karakteriserer et godt medie?
    2. Nævn nogle af de fysiske forhold, som man skal tilpasse for at mikroorganismer kan gro i en tank.
    3. Hvad er forskellen mellem de tre forskellige typer af fermentering?
    4. Beskriv de forskellige faser af vækst, som cellerne gennemgår.

    Opdateret den 7. august 2017

    Brugen af farver har en meget lang historie. Man har brugt farver i hulemalerier, som kan dateres godt 35.000 år tilbage. Også oldtidens egyptere og romere havde viden om og brugte et udvalg af forskellige farver bl.a. til kosmetik. Dengang fandtes kun farver, som man fandt i naturen. Man udvandt dem fra dyr og planter. Mange naturlige farvestoffer som bruges i dag, kommer stadig fra de samme kilder.

    Allerede i slutningen af 1800-tallet fandt man ud af at producere farve. Det var udviklingen i naturvidenskabelige fag som kemi, der medvirkede til, at man kunne producere farver syntetisk. I vores samfund er markedet for naturlige farver i vækst, da firmaer og andre aftagere af farvene gerne vil undgå syntetiske farver. Syntetiske farver er under mistanke for at øge risikoen for kræft og hyperaktivitet blandt børn.

    Denne case handler om brugen og fremstillingen af rødt farvestof. Rødt farvestof bruges i mange industrier og er en af de vigtigste farver. I fødevareindustrien kan man finde rødt farvestof i juice, røde pølser, marmelade, slik, ketchup og meget andet. I tekstilbranchen bruger man også rødt farvestof, og i kosmetik-industrien bruges rødt farvestof i læbestift, øjenskygge, rouge og neglelak.

    Naturlig rød farve, også kendt som karminsyre, kan udvindes af en skjoldlus, som findes i naturen i bl.a. Peru og i Mellemamerika. Her lever lusene på bestemte kaktusser. Man kan i disse lande indsamle lusene Farven udvindes ved at tørre og knuse lusene, så man ender med pulver. Det kræver 100.000 knuste lus for at lave et kilogram rød farve. Der er nogle ulemper ved at være afhængig af disse lus. Mængden af lus afhænger af temperatur, vind og regn. Desuden kan lusene blive ramt af sygdomme. Hvis det er et rigtig dårligt år, og antallet af lus er meget lavt, så går det også ud over priserne og i sidste ende forbrugerne.

    Hvad nu hvis vi kunne producere den røde farve herhjemme uden at skulle indsamle lus i Mellemamerika?

    Den danske virksomhed Chr. Hansen A/S arbejder sammen med DTU på at udvikle teknikken til dette. De arbejder på at finde ud af, hvordan skjoldlus danner det røde farvestof.

    Hvis man kan finde de gener, som udtrykker enzymer, der indgår i dannelsen af det røde farvestof, så kan man måske rykke dem over i en svamp. Skjoldlusen har ca. 18.000 gener, og det er ikke kun et enkelt gen men flere, som indgår i dannelsen af den røde farve. Dette gør opgaven ekstra svær.

    Det er derfor også flere gener, man vil overføre til en produktionsorganisme. Når man har fundet de rigtige gener, så ”klippes de ud” og flyttes. Dette er dog ikke helt let at udføre i virkeligheden. For det første skal svampen optage generne. For det andet skal generne være udtrykt og virke på samme måde som hos lusen. Selvom svampen optager generne, så er det ikke en garanti, at de bliver udtrykt.

    Hvis alt lykkes, vil det kunne lade sig gøre at gro svampen i store fermenteringstanke, som du lige har læst om. Her vil de producere store mængder af det røde farvestof. I næste teoriafsnit kan du læse om de værktøjer, som man bruger, når man rykker gener fra en organisme over i en anden organisme.

    Man skal også sørge for, at svampen ikke producerer nogle giftige stoffer samtidig med, at den producerer farvestoffet. Dette vil gøre oprensningsprocessen meget sværere, og det kan være, at de giftige stoffer påvirker svampen selv.

    Farvestoffet skal også være af en rigtig god kvalitet. Det er afgørende, at den ikke mister sin farvestyrke over tid. Dette er især vigtigt for kunderne, som bruger den røde farve i deres produkter.

    Fermenteringen skulle gerne give en økonomisk bedre situation, end en hvor man er afhængig af skjoldlus. Dette skulle samtidig sikre et bedre produkt end kemisk fremstillet syntetisk farve.

    Prøv at kigge i dit køkken derhjemme f.eks. røde pølser, spegepølse eller vingummi – er der et produkt, hvor der i deklarationen står E120? Tilsætningsstoffet E120 er nemlig det samme som den naturlige røde farve, karminsyre.

    Opdateret den 7. august 2017

    Jo mere viden mennesket opnår, jo større bliver mulighederne. Bioteknologien har eksisteret længe, men i de seneste årtier er der sket store fremskridt. Fantastiske opdagelser og ny teknologi har resulteret i, at vi kan mange ting i dag. Kun tiden vil vise, hvor langt bioteknologien vil bringe os.

    I dette afsnit gennemgås forskellige bioteknologiske værktøjer, som bruges i forbindelse med fermenteringsteknologien. For at gennemgå teknikker skrives der om et tænkt eksempel, som lyder således:

    En virksomhed beslutter sig for, at de gerne vil producere farver til forskellige industrier. Virksomheden er blevet kontaktet af en kunde, som har brug for en rigtig god gul farve. Farven skal være flot og klar samtidig med, at den skal være stabil og holdbar. Virksomheden går straks i gang med at lægge en strategi for at opfylde kundens ønsker. Det skal være en naturlig farve, så virksomheden må ud og finde mikroorganismer, som producerer en gul farve.

    Det er ikke altid nemt at finde mikroorganismer, der producerer lige det, man har brug for. Virksomheden vidste, at det ville være svært. Derfor sendte de deres bedste biolog af sted. Biologen var klar over, at man bliver nødt til at lede et sted, hvor den gule farve kan ses. Det kan man f.eks. i en å som denne.

    Herfra tog biologen nogle prøver med hjem, og samtidig blev følgende noteret:

    • Vandet havde en pH værdi på 2
    • Vandet havde en temperatur på 45 °C

    Hjemme i virksomhedens laboratorium vil man nu prøve at dyrke indholdet i prøven. Man har allerede i et mikroskop set, at der var flere levende organismer i prøven. Man vælger at dyrke indholdet fra prøven i en kolbe, hvor man efterligner de forhold, som man fandt i åen. Heldigvis ser man, at der bliver dannet en flot gul farve.

    Virksomheden finder ud af, at det er en bakterie, som producerer den gule farve. De undersøger nu, om bakterien producerer nogle andre stoffer udover den gule farve. Resultatet af undersøgelserne er, at bakterien også producerer et giftigt stof.

    Virksomheden har nu to muligheder. Enten skal de arbejde videre med bakterien eller vælge en anden organisme, f.eks. en svamp. Hvis de vælger at arbejde videre med bakterien, så har de følgende udfordringer:

    • De skal slå det gen ud, som koder for det giftige stof
    • De skal finde ud af, om bakterien vil gro i en tank
    • De skal sørge for, at pH-værdien i tanken er omkring 2

    Hvis virksomheden vælger at arbejde videre med en svamp, resulterer denne beslutning i en anden udfordring:

    • De skal flytte genet for den gule farve fra bakterien over i svampen

    Denne udfordring kan være svær at overkomme. Fordelen ved at bruge svampen er, at virksomheden allerede ved, hvordan de skal dyrke den i en fermenteringstank, da de har brugt den mange gange før. De ved også, at svampen ikke producerer giftige stoffer.

    Virksomheden vælger den sidste mulighed, og de prøver derfor nu at flytte genet, der resulterer i den gule farve.

    Gensplejsede mikroorganismer

    Gensplejsning betyder, at man tager et gen fra f.eks. en bakterie og indsætter det i en anden celle, f.eks. en gærcelle. Gærcellen har nu evnen til at producere det, som bakterien kunne. Det er en svær proces, og der skal ofte mange forsøg og god tålmodighed til, før det lykkes. Der er to meget vigtige værktøjer, som man bruger, når man skal gensplejse en organisme. Det er plasmider og restriktionsenzymer.

    Gensplejsningen foregår i tre trin:

    1. Overførelse af genet til et plasmidFor at få overført genet fra bakterien til gærcellen benyttes et plasmid. Plasmider er et cirkelformet DNA-stykke, som findes i bakterier (se afsnittet ”Hvad er en mikroorganisme?”). Plasmider bruges ofte som transportmiddel, når man udfører en gensplejsning. De er gode at arbejde med, da man kan få celler til at optage dem gennem membranen. Når først plasmidet er inden i cellen, vil det selv øge sit antal.For at få overført genet til plasmidet bruges et bestemt enzym, kaldt restriktionsenzym. Enzymet vil klippe både i DNA’et, der hvor genet sidder, og i plasmidet. Enzymet klipper skævt, hvilket betyder, at der i hver ende sidder frie baser, som mangler at blive parret med andre. De frie ender i plasmidet vil passe med de frie ender af genet. Enzymet ligase vil binde det åbne plasmid sammen med genet. Resultatet er, at man opnår et plasmid med det ønskede gen.
    2. TransformationDette næste trin er transformationen, hvor man ønsker indføre plasmidet i gærcellen. Ved at blande celler og plasmider opnår man ikke, at cellerne optager plasmiderne. Der skal lidt mere til. Man kan udføre transformation ved forskellige metoder. En af dem kaldes for elektroporation. Ved denne metode udsætter man cellerne for et elektrisk felt. Tidligere kunne plasmiderne ikke komme over cellemembranen, men pga. det elektriske felt er det nu muligt.
    3. Selektion

    Når man har udført transformationen, kan man ikke være sikker på, at plasmidet er blevet optaget af cellen. Sikringen af dette sker ved selektion. Uden plasmidet vil cellerne ikke producere den gule farve, mens de vil producere farven, hvis de har optaget plasmidet. Derfor kan man dyrke cellerne og undersøge, om der bliver dannet farvestoffer. Hvis der ikke bliver dannet den gule farve, så har cellerne ikke optaget plasmidet, og man må prøve igen. Hvis den gule farve bliver dannet, har cellerne optaget plasmidet, og gensplejsningen er lykkes.

    Virksomheden fik overført genet til svampen – og de har tjekket, at det bliver udtrykt! Virksomheden kan nu gå i gang med at producere den gule farve ved at dyrke den transformerede svamp i en fermenteringstank.

    Spørgsmål – test din viden

    1. Er der fordele ved at bruge en kendt organisme til fermentering?
    2. Hvad er et plasmid, og hvor er de gode at bruge?
    3. Beskriv transformation.
    4. Hvorfor udfører man selektion?

    Opdateret den 7. august 2017

    I forbindelse med opfindelsen af biler, fly og andre maskiner, begyndte udledningen af CO2 (kuldioxid) at stige. CO2 er en såkaldt drivhusgas, som er skadelig for jordens klima. Drivhusgasser tillader solens stråler at komme ind i atmosfæren og varme Jorden op, men de tillader ikke at varme forlader atmosfæren. På den måde stiger Jordens temperatur år for år.

    Det kræver energi at køre en fermenteringstank. Det kræver især meget energi at pumpe oxygen ind i tanken til cellerne. Og hvor kommer denne energi så fra? Det kan være, at den energi, man bruger, skaber en øget udledning af CO2. En af måderne, hvorpå man kan bruge mindre energi, er ved at sænke den tid fermenteringen kører, samtidig med at man sørger for, at der stadig bliver dannet den samme mængde produkt.

    Fermentering

    Inden for fermentering kan man gøre forskellige ting for at gøre produktionen mere bæredygtig. Bæredygtighed handler ikke kun om CO2, og hvordan vi skaber energi. Det handler også om forurening af miljøerne med f.eks. sprøjtegift. Derfor kan man starte med at vælge et substrat, som er ubehandlet. Fermentering af forskellige produkter foregår oftest i private virksomheder, som herefter sælger de forskellige produkter. For virksomheder er der nogle vigtige punkter, som de især arbejder efter at opnå:

    • Udbyttet af produktet skal være så højt som muligt
    • Det skal koste så lidt som muligt at producere produktet

    Man vælger ikke et hvilket som helst substrat. Der er flere krav, som skal overholdes. Det skal både være billigt, nemt at få fat i og bæredygtigt.  Herefter køres fermenteringen og til det, er der forskellige energikrav. Det kræver mest energi at pumpe luft nok ind til mikroorganismen i tanken.

    Efter at fermenteringen er slut, skal produktet oprenses. Andre stoffer skal sorteres fra, bl.a. mikroorganismen selv og rester af mediet, som var i blandingen ved starten. Mediesammensætningen har betydning for spildevandsrensningen.

    Fermentering og bæredygtighed handler ikke kun om at optimere produktionen. Det kan også handle om at kunne udnytte fermenteringsteknologien til at producere produkter, som vi tidligere har produceret på en måde, som har været meget skadeligt for naturen.

    Det kan også være produktion af mere miljøvenlige produkter, som kan erstatte nuværende produkter, der er skadelige for miljøet. Et godt eksempel på dette er produktionen af bioethanol som erstatning til brændstof.

    Afslutning

    Det er vigtigt, at vi i fremtiden bliver mere bevidste om, hvordan forskellige produktioner har indflydelse på vores natur og planet. Hvis temperaturen stiger, som følge af drivhuseffekten, så smelter den is, der findes ved Nord- og Sydpolen. Når isen smelter, kommer der mere vand i havene, og vandstandene stiger. Nogle landområder ligger lavt i forhold til vandets overfalde, og disse områder vil oversvømmes.

    Desuden handler det også om de næste generationer, som skal leve på Jorden. Vores oldebørn får måske nogle helt andre udfordringer, hvis vi ikke begynder at tage bedre vare på miljøet og ”aflevere” en renere planet til dem.

    Det kan godt være, at vi er rigtig gode til at fremstille forskellige produkter, og de fleste af vores teknologier er gode. Men nogle gange har naturen og mikroorganismer en løsning på problemet, som er mere optimal end vores. Både smartere, hurtigere, simplere og mere bæredygtig. I disse tilfælde skal vi lade os inspirere af naturen. Nogle mikroorganismer har været til stede i meget længere tid, end vi mennesker har. Disse organismer har nået at udvikle sig, så de på den bedste måde udnytter deres miljø og de næringskilder, der findes omkring dem.

    Som Mikael Rørdam Andersen, lektor ved Institut for Systembiologi DTU, siger i filmen ”Bioteknologiens skatkammer”:

    ”Alle naturens løsninger er bæredygtige – bæredygtighed er bygget ind i naturen!”.

    Opdateret den 7. august 2017

  • Ordliste

    Ordliste

    Aminosyre: en gruppe af kemiske stoffer, som proteiner er opbygget af. En aminosyre er opbygget af en aminogruppe og en carboxylsyregruppe.

    Anabolisme: opbygningen af større molekyler fra mindre. Disse processer kræver energi.

    ATP: et molekyle, som leverer energi til kemiske processer i cellerne.

    Biodiversitet: forskelle i udseende og egenskaber hos forskellige former for liv.

    Bionik/Biomimik/Biomimetik: at lede efter inspiration i naturen for at løse problemer i vores teknologiske samfund.

    Bæredygtighed: at forene vores teknologiske samfund med naturen på den bedste måde.

    Celle: mindste levende enhed i alle organismer.

    Codon: tre nukleotider, der oversættes til en aminosyrer af ribosomerne.

    Cytoplasma: væske inde i en celle.

    Den genetiske kode: oversættelsen af codons til aminosyrer.

    DNA (arvemateriale): lange strenge inde i cellen, som indeholder generne. DNA er opbygget af baser (A, T, C og G) samt sukker- og fosfatgrupper.

    Drivhusgas: gasser, som har evnen til at holde på den varme, som Jorden forsøger at sende ud af vores atmosfære.

    Ekstremofiler: en gruppe af organismer, som kan leve i ekstreme miljøer.

    Enzym: et enzym, som kan katalysere en kemisk reaktion, dvs. som sørger for, at den forløber hurtigere.

    Eukaryot: en celle med en cellekerne, hvori arvemateriale ligger.

    Exons: de dele af DNA’et, som koder for proteiner.

    Fermentering: dyrkning af mikroorganismer i en tank med henblik på at producere et produkt.

    Fotosyntese: den proces, hvor energi dannes ved hjælp af sollys.

    Gen: et stykke af DNA’et, som koder for et bestemt protein. Det er generne, som indeholder al den information, der skal til for, at kroppen fungerer.

    Introns: de dele af DNA’et, som ikke koder for noget. Introns bliver klippet ud, inden RNA-strengen oversættes til aminosyrer.

    Katabolisme: nedbrydningen af større molekyler til mindre. Disse processer frigiver energi.

    Kontaminering: forurening.

    Kromosom: lange DNA-strenge.

    Kulhydrat: en gruppe af organiske molekyler, som er vigtige for liv. Druesukker er et eksempel på et kulhydrat.

    Ligase: enzym, som kan klippe og klistre i DNA-strenge.

    Lipid: en gruppe af stoffer, som dækker over fedtstof og fedtlignende stoffer.

    Mitokondrie: cellens energifabrik. Sukker omdannes til energi ved den proces, som kaldes for respiration.

    Mutation: en ændring af en eller flere baser i DNA’et. Disse ændringer kan både have ingen eller alvorlige konsekvenser, alt efter hvor ændringen forekommer.

    Nukleinsyre: strukturer, som er opbygget af nukleotider. DNA og RNA er eksempler på nukleinsyrer.

    Nukleotid: de molekyler, som DNA- og RNA-strenge er opbygget af. Der findes baserne A, T, C og G. I RNA er basen T erstattet med basen U.

    Organel: strukturer, som ligger inde i cellen. Mitokondrier og ribosomer er eksempler på organeller.

    Organisk og uorganisk stof: organiske stoffer er molekyler, som alle indeholder carbon (C). Uorganiske stoffer er det modsatte dvs. molekyler, som ikke indeholder carbon. Der er dog et lille antal forbindelser, som indeholder carbon, men som regnes for uorganiske.

    Parasit: organismer, som udnytter andre mht. overlevelse, næringsstoffer m.m.

    Plasmid: små cirkulære DNA-molekyler i bakterier. Disse molekyler indeholder ikke gener for livsnødvendige proteiner.

    Polymerase: et enzym, der er med til at katalysere den reaktion, hvor der bliver dannet nye DNA- og RNA-strenge.

    Prokaryot: en celle uden en indre cellekerne. DNA’et ligger frit inde i cellen.

    Promoter: kort sekvens inden genet på DNA-strengen. Denne sekvens hjælper med at starte transskriptionen.

    Protein: makromolekyler, som er nødvendige for alt liv. De har flere funktioner, bl.a. indgår de i opbygning af celler. Funktionen og opbygningen af et protein findes i DNA’et. Proteiner er opbygget af aminosyrer.

    Respiration: den proces, hvor sukker omdannes til energi i form af ATP. Respirationen sker i mitokondrierne.

    Restriktionsenzym: et enzym, som er i stand til at skære en streng over ved en bestemt sekvens.

    Ribosom: cellens proteinfabrikker. I disse organeller oversættes RNA-strenge til aminosyrer, som i en lang kæde udgør et protein.

    Selektion: den proces, hvor nogle forhold resulterer i, at nogle organismer overlever, mens andre dør. Sker selektionen i et laboratorium kan man på denne måde udvælge de organismer, som man ønsker at arbejde med.

    Sterilisering: ved hjælp af høj temperatur og højt tryk dræbes organismer, hvis tilstedeværelse man ikke ønsker.

    Symbiose: når forskellige organismer lever sammen og drager fordel af hinanden.

    Terminator: en sekvens lige efter genet på DNA-strengen. Denne sekvens sørger for, at transskriptionen afsluttes.

    Transformation: indsættelsen af fremmed DNA i en celle.

    Translation: den proces, hvor RNA oversættes til et protein. Translationen foregår i ribosomerne.

    Transskription: den proces, hvor DNA oversættes til RNA ved hjælp af enzymet polymerase.