Μπλε Βιοτεχνολογία (Θαλασσίων Οργανισμών)

Μαθησιακά Αποτελέσματα

Το μάθημα «Μπλε Βιοτεχνολογία» εισάγει τους φοιτητές στις τις βιοτεχνολογικές εφαρμογές, τις μηχανικές προσεγγίσεις και την επιστήμη των θαλάσσιων και υδρόβιων βιολογικών συστημάτων στο πλαίσιο της συνθετικής βιολογίας. Εστιάζει στην ανακάλυψη γονιδίων, ενζύμων, μονοπατιών, φυσικών προϊόντων, βιοϋλικών και οργανισμών προσαρμοσμένων στο στρες από υδάτινα περιβάλλοντα, καθώς και στη χρήση τους στην έρευνα, την καινοτομία και τη βιώσιμη βιοτεχνολογία. Το μάθημα ασχολείται επίσης με την υπολογιστική ανάλυση, την επεξεργασία των βιολογικών δεδομένων, τις περιβαλλοντικές εφαρμογές και τις ηθικές και κανονιστικές διαστάσεις.

Γνώσεις και Κατανόηση

• Εξηγούνται το πεδίο εφαρμογής, οι αρχές και οι κύριοι τομείς της μπλε βιοτεχνολογίας και τη σχέση της με τη συνθετική βιολογία
• Περιγράφεται η θαλάσσια και υδρόβια βιοποικιλότητα ως πηγή γονιδίων, ενζύμων, μονοπατιών, φυσικών προϊόντων και βιοϋλικών με βιοτεχνολογικό ενδιαφέρον
• Εξηγείται ο ρόλος της γονιδιωματικής, της μεταγονιδιωματικής, της μεταγραφωμικής και της βιοπληροφορικής στην ανακάλυψη λειτουργικών συστατικών από υδρόβια συστήματα
• Συζητούνται οι προσεγγίσεις συνθετικής βιολογίας που χρησιμοποιούνται στη μπλε βιοτεχνολογία, συμπεριλαμβανομένης της επιλογής βιολογικών συστημάτων, της ετερόλογης έκφρασης, της επεξεργασίας γονιδιώματος, της μεταβολικής μηχανικής, των βιοαισθητήρων και του πλαισίου Σχεδιασμός-Κατασκευή-Δοκιμή-Μάθηση
• Περιγράφονται βασικοί τομείς εφαρμογής όπως τα θαλάσσια φυσικά προϊόντα, τα βιομηχανικά ένζυμα, η βιοτεχνολογία φυκών και κυανοβακτηρίων, τα θαλάσσια βιοϋλικά, η περιβαλλοντική βιοτεχνολογία και η μηχανική βιοδιεργασιών
• Εξηγούνται τα κύρια ηθικά, νομικά, ζητήματα βιοασφάλειας και διακυβέρνησης της βιοποικιλότητας που σχετίζονται με τους θαλάσσιους γενετικούς πόρους και τα τροποποιημένα υδρόβια συστήματα

Δεξιότητες

• Ανάλυση θαλάσσιων και υδάτινων βιολογικών συστημάτων ως προς τις δυνατότητές τους για εφαρμογές συνθετικής βιολογίας και βιοτεχνολογίας
• Ερμηνεία δεδομένων αλληλουχίας, μεταγονιδιωματικής και βιοπληροφορικής, προκειμένου να εντοπιστούν γονίδια, οδοί και λειτουργίες σχετικές με τη μπλε βιοτεχνολογία
• Αξιολόγηση και σύγκριση στρατηγικών μηχανικής για την παραγωγή ενώσεων, ενζύμων και βιοϋλικών θαλάσσιας προέλευσης σε φυσικούς ή ετερόλογους φορείς
• Αξιολόγηση σημαντικών μεταφραστικών προκλήσεων που σχετίζονται με την καλλιέργεια, την κλιμάκωση, την κατάντη επεξεργασία, την τεχνοοικονομική σκοπιμότητα και τη βιωσιμότητα
• Χρήση πλατφορμών βιοπληροφορικής που βασίζονται σε προγράμματα περιήγησης και δημόσιων βάσεων δεδομένων για την ανάλυση θαλάσσιων βιολογικών δεδομένων και την ανακατασκευή βιολογικά σχετικών οδών ή λειτουργιών
• Διατύπωση και υποστήριξη μιας δομημένης ερευνητικής πρότασης που σχετίζεται με μια εφαρμογή μπλε βιοτεχνολογίας στη συνθετική βιολογία

Ικανότητες

• Ενσωμάτωση βιολογικών, μηχανικών, περιβαλλοντικών και κανονιστικών προοπτικών στην ανάλυση συστημάτων μπλε βιοτεχνολογίας
• Λήψη τεκμηριωμένων και υπεύθυνων κρίσεων σχετικά με το δυναμικό καινοτομίας, τη σκοπιμότητα και τον ευρύτερο αντίκτυπο των προσεγγίσεων συνθετικής βιολογίας στην υδρόβια βιοτεχνολογία
• Αποτελεσματική εργασία σε διεπιστημονικές ομάδες για την προετοιμασία και την συγγραφή ερευνητικών προτάσεων
• Κριτική αξιολόγηση της επιστημονικής βιβλιογραφίας και χρήση της για την υποστήριξη του πειραματικού σχεδιασμού και των τεχνολογικών επιλογών
• Σαφής επικοινωνία επιστημονικών ιδεών, ερευνητικών στρατηγικών και τεχνικών επιχειρημάτων σε εξειδικευμένο και μη εξειδικευμένο κοινό

Περιεχόμενο Μαθήματος

Το μάθημα εξετάζει τα θαλάσσια και υδάτινα βιολογικά συστήματα ως πηγές καινοτομίας για τη συνθετική βιολογία και τη βιοτεχνολογία. Εισάγει τους φοιτητές στη βιολογική ποικιλομορφία, τους μοριακούς πόρους, τις στρατηγικές μηχανικής και τους τομείς εφαρμογής που ορίζουν τη γαλάζια βιοτεχνολογία, με έμφαση στο πώς οι υδάτινες βιολογικές λειτουργίες μπορούν να ανακαλυφθούν, να αναλυθούν, να επανασχεδιαστούν και να μεταφραστούν σε χρήσιμες τεχνολογίες. Το μάθημα οργανώνεται στις ακόλουθες ενότητες:

Ενότητα 1: Θεμέλια της μπλε βιοτεχνολογίας

Αυτή η ενότητα εισάγει την έννοια, το πεδίο εφαρμογής και την επιστημονική σημασία της μπλε βιοτεχνολογίας. Εξετάζει τους θαλάσσιους και υδρόβιους οργανισμούς ως πηγές γονιδίων, ενζύμων, μεταβολιτών, βιοϋλικών και βιολογικών λειτουργιών βιοτεχνολογικής αξίας και εξηγεί πώς η γαλάζια βιοτεχνολογία σχετίζεται με τη συνθετική βιολογία, τη βιωσιμότητα και τη γαλάζια βιοοικονομία.

Ενότητα 2: Θαλάσσια και υδάτινη βιοποικιλότητα, ομική και βιοπληροφορική

Αυτή η ενότητα εστιάζει στη βιοποικιλότητα ως πηγή καινοτομίας στη μπλε βιοτεχνολογία. Καλύπτει μικροοργανισμούς γλυκού και αλμυρού νερού, φύκη, μύκητες, ασπόνδυλα, μικροβιώματα και ακραιόφιλα, μαζί με τη χρήση της γονιδιωματικής, της μεταγονιδιωματικής, της μεταμεταγραφωμικής, του περιβαλλοντικού DNA και της βιοπληροφορικής για την ανακάλυψη και ανάλυση γονιδίων, μονοπατιών και λειτουργικών χαρακτηριστικών ενδιαφέροντος.

Ενότητα 3: Προσεγγίσεις συνθετικής βιολογίας σε υδάτινα συστήματα

Αυτή η ενότητα εξετάζει πώς η συνθετική βιολογία μπορεί να εφαρμοστεί σε υδάτινα βιολογικά συστήματα προκειμένου να προχωρήσει από την ανακάλυψη στη μηχανική. Περιλαμβάνει το πλαίσιο Σχεδιασμός-Κατασκευή-Δοκιμή-Μάθηση, ετερόλογη έκφραση, επεξεργασία γονιδιώματος, μεταβολική μηχανική, βελτιστοποίηση μονοπατιών και τη χρήση βιοαισθητήρων και συνθετικών ρυθμιστικών συστημάτων στη μπλε βιοτεχνολογία.

Ενότητα 4: Θαλάσσια φυσικά προϊόντα, ένζυμα και λειτουργικά βιομόρια

Αυτή η ενότητα διερευνά την ποικιλομορφία και τις εφαρμογές των θαλάσσιων μορίων με φαρμακευτική, βιομηχανική και βιοτεχνολογική αξία. Ασχολείται με θαλάσσια φυσικά προϊόντα, βιοσυνθετικές οδούς, βιοσυνθετικά γονίδια, βιομηχανικά ένζυμα, βιοκαταλύτες που προέρχονται από ακραιόφιλα και τον ρόλο της συνθετικής βιολογίας και της πρωτεϊνικής μηχανικής στη βελτίωση της παραγωγής και της χρήσης τους.

Ενότητα 5: Βιοτεχνολογία φυκιών, κυανοβακτηρίων και υδατοκαλλιέργειας

Αυτή η ενότητα εξετάζει τα μικροφύκη, τα μακροφύκη και τα κυανοβακτήρια ως βιολογικούς πόρους και συστήματα παραγωγής. Καλύπτει επίσης εφαρμογές της μπλε βιοτεχνολογίας στην υδατοκαλλιέργεια και την υγεία των υδρόβιων ζώων, συμπεριλαμβανομένων προσεγγίσεων που βασίζονται στο μικροβίωμα, διαγνωστικών, βιοαισθητήρων, βιώσιμων συστημάτων τροφοδότησης και της χρήσης φωτοσυνθετικών οργανισμών σε εφαρμογές παραγωγής και περιβάλλοντος.

Ενότητα 6: Θαλάσσια βιοϋλικά, περιβαλλοντικές εφαρμογές και βιωσιμότητα

Αυτή η ενότητα εστιάζει σε πολυμερή θαλάσσιας προέλευσης, βιοϋλικά και περιβαλλοντικά προσανατολισμένες βιοτεχνολογικές εφαρμογές. Περιλαμβάνει αλγινικό άλας, άγαρ, καραγενάνη, χιτοζάνη, υλικά που μοιάζουν με κολλαγόνο, καθώς και βιοαισθητήρες, βιοαποκατάσταση, επεξεργασία λυμάτων, ανάκτηση πόρων και τον ρόλο της μπλε βιοτεχνολογίας στις στρατηγικές βιωσιμότητας και κυκλικής βιοοικονομίας.

Ενότητα 7: Μηχανική βιοδιεργασιών και κλιμάκωση

Αυτή η ενότητα ασχολείται με τη μετατροπή της βιολογικής ανακάλυψης σε πρακτική βιοτεχνολογία. Καλύπτει την καλλιέργεια θαλάσσιων μικροοργανισμών και φυκιών, τον σχεδιασμό αντιδραστήρων, την επεξεργασία ανάντη και κατάντη, την ανάκτηση προϊόντων, τη βελτιστοποίηση των διαδικασιών, τις προκλήσεις κλιμάκωσης και τις τεχνοοικονομικές παραμέτρους που σχετίζονται με τις εφαρμογές της γαλάζιας βιοτεχνολογίας.

Ενότητα 8: Ηθική, ρύθμιση και υπεύθυνη καινοτομία

Αυτή η ενότητα εξετάζει τα ηθικά, νομικά και κανονιστικά ζητήματα που σχετίζονται με τη χρήση θαλάσσιων και υδρόβιων βιολογικών πόρων. Περιλαμβάνει τη διακυβέρνηση της βιοποικιλότητας, την πρόσβαση και την κατανομή των οφελών, τη βιοασφάλεια, την πνευματική ιδιοκτησία, την περιβαλλοντική ευθύνη και τις αρχές της υπεύθυνης καινοτομίας στην ανάπτυξη εφαρμογών γαλάζιας βιοτεχνολογίας και συνθετικής βιολογίας.

Το μάθημα περιλαμβάνει μια αθροιστική ομαδική εργασία στην οποία οι φοιτητές προετοιμάζουν μια πρωτότυπη ερευνητική πρόταση σχετικά με μια εφαρμογή συνθετικής βιολογίας στη γαλάζια βιοτεχνολογία, την παρουσιάζουν και την υπερασπίζονται προφορικά και συμμετέχουν σε μια δομημένη διαδικασία αξιολόγησης από ομοτίμους.

Εργαστηριακές Ασκήσεις

Το μάθημα περιλαμβάνει πρακτικές υπολογιστικές δραστηριότητες και δραστηριότητες ανάλυσης δεδομένων, βασισμένες σε σεμινάρια, σχεδιασμένες να υποστηρίξουν τις θεωρητικές ενότητες και να παρέχουν στους φοιτητές πρακτική εμπειρία στη χρήση δημόσιων βάσεων δεδομένων, βιοπληροφορικών εργαλείων που βασίζονται σε προγράμματα περιήγησης και προσεγγίσεων ερμηνείας βιολογικών δεδομένων σχετικά με τη μπλε βιοτεχνολογία και τη συνθετική βιολογία.

Ανάλυση συνόλων δεδομένων θαλάσσιας μεταγονιδιωματικής (π.χ. MG-RAST, MGnify/EBI Metagenomics): Καθοδηγούμενη εξερεύνηση δημόσιων συνόλων δεδομένων θαλάσσιας μεταγονιδιωματικής για τον εντοπισμό μικροβιακής ποικιλομορφίας και λειτουργικών χαρακτηριστικών που σχετίζονται με τη μπλε βιοτεχνολογία.

Συστοιχία βιοσυνθετικών γονιδίων (π.χ. antiSMASH): Άσκηση εξόρυξης γονιδιώματος χρησιμοποιώντας θαλάσσια μικροβιακά γονιδιώματα για τον εντοπισμό και την ερμηνεία πιθανών βιοσυνθετικών οδών φυσικών προϊόντων.

Αλληλουχία και αναζήτηση ομοιότητας. Ανάλυση επιλεγμένων θαλάσσιων γονιδίων ή/και πρωτεϊνών για τον προσδιορισμό της λειτουργίας και της βιολογικής σημασίας.

Ανακατασκευή οδών και άσκηση μεταβολικής χαρτογράφησης (π.χ. KEGG, BioCyc): Καθοδηγούμενη ανακατασκευή μιας μεταβολικής οδού σχετικής με τη θάλασσα για τον εντοπισμό μηχανικών στόχων και βιοτεχνολογικών εφαρμογών.

Άσκηση εξερεύνησης της δομής και της λειτουργίας των πρωτεϊνών (π.χ. UniProt, InterPro, Βάση Δεδομένων Δομών Πρωτεϊνών AlphaFold): Ανάλυση θαλάσσιων πρωτεϊνών ή ενζύμων για την εξέταση δομικών χαρακτηριστικών, διατηρημένων περιοχών και πιθανών λειτουργικών ιδιοτήτων που σχετίζονται με τη μπλε βιοτεχνολογία και τη συνθετική βιολογία.

Συνιστώμενη Βιβλιογραφία

• Müller, W. E. G., Schröder, H. C., & Wang, X.. (2017). Blue biotechnology: From gene to bioactive product. Springer

• La Barre, S., & Bates, S. S.. (2018). Blue biotechnology: Production and use of marine molecules. Wiley