Biotechnologia przemysłowa: Wprowadzenie do biotechnologii przemysłowej i jej zastosowań

Biotechnologia przemysłowa: wprowadzenie do biotechnologii przemysłowej i jej zastosowań!

Już pierwszy wyraz zastosowań przemysłowych biotechnologii stwierdzono w produkcji piwa, wina, sera, chleba i innych produktów fermentowanych.

Z biegiem lat, takie aplikacje rozszerzyły się o bardzo szeroką gamę produktów w przemyśle spożywczym, chemicznym i farmaceutycznym. Inżynieria genetyczna i biologia molekularna okazały się nieocenione nie tylko dla rozwoju wielu produktów, ale także dla wprowadzenia nowych i bardziej skutecznych bioprocesów.

Biotechnologia i medycyna:

Wykorzystanie biotechnologii otworzyło zupełnie nowy świat możliwości w dziedzinie medycyny. Ta szeroka gama zastosowań wniosła z kolei ogromny potencjał w dziedzinie medycyny. Na przykład w przypadku onkogenów opracowano różne "markery genetyczne" w celu identyfikacji nowotworów piersi, okrężnicy, oskrzeli, przełyku i prostaty. Wiele zaburzeń psychicznych, które skutkują brakiem pamięci i nieprawidłowymi zachowaniami, jest obecnie zrozumianych w świetle tłumienia lub aktywacji genów.

Należą do nich demencja, taka jak choroba Alzheimera i schizofrenia (ta ostatnia jest wywołana przez pojedynczy nienormalny gen). Biotechnologia ma również ogromny potencjał w zakresie kontroli płodności. Umożliwiono również bezpieczny przeszczep narządu i manipulację układem odpornościowym organizmu. Projektant narkotyków jest kolejnym rozwinięciem, który jest specjalnie dostosowany do manipulowania całością lub częściami indywidualnych genów i do tłumienia lub indukowania określonych działań.

Niektóre inne zastosowania biotechnologii w medycynie to: "

Antybiotyki:

Produkcja antybiotyków jest najbardziej dochodową częścią przemysłu farmaceutycznego. Obecnie używa się ponad stu antybiotyków, a wiele straszliwych chorób bakteryjnych zostało opanowanych. Do głównych grup antybiotyków należą penicylina, tetracyklina, cefalosporyna i erytromycyna.

Penicylinę odkrył Fleming w 1928 roku, a opracowany przez Howarda w 1944 roku z grzyba o nazwie Penicillium notatum, a później z Pchrysogenum. Penicillium wytwarza największą ilość penicyliny, gdy komórki przestają rosnąć.

Fermentacja penicyliny wymaga siedmiu do ośmiu dni dla maksymalnej wydajności. Grzyb Cephlosporium służy do wytwarzania cefalosporyny C, antybiotyku, który może zabić nawet te bakterie, które stają się odporne na penicylinę. Streptomycynę odkryto i wytworzono z nitkowatego drobnoustroju Streptomyces griseus.

Geny jako takie nie kodują bezpośrednio antybiotyków. Większość z nich jest wytwarzana wewnątrz komórki po sekwencji reakcji chemicznych, które są katalizowane przez enzymy. Enzymy składają się z instrukcji określonych genów, a komórki można wykorzystywać do produkcji nowych antybiotyków. Fuzja komórkowa umożliwia generowanie nowej kombinacji genów.

Geny, które mogą polecić komórkom wytwarzanie nowych antybiotyków, mogą być obecne w samej komórce, ale nie można ich wyrazić. Łącząc te komórki, geneg może ulegać aktywacji, syntetyzować nowe enzymy, a powstałe mikroby mogą wytwarzać nowe antybiotyki.

Przeciwciała:

Kiedy w organizmie dochodzi do inwazji bakterii, grzybów lub wirusów, krew i gruczoły chłonne wytwarzają przeciwciała jako mechanizm obronny. Te przeciwciała (lub immunoglobuliny) identyfikują obce substancje (lub antygeny) i przyłączają się do obcego materiału. W ciele są miliony różnych typów przeciwciał, a każda ma określoną strukturę. Jeśli przeciwciało napotka obcą substancję o tej samej konfiguracji, te dwie zostaną zablokowane razem.

Kiedy antygeny są wszczepiane myszom, królikom, kozom lub koniom, wiele limfocytów B wiąże się z antygenem w celu wytworzenia szeregu różnych immunoglobulin jako przeciwciał przeciwko antygenowi. Zatem całkowite przeciwciała wytworzone w kierunku określonego antygenu zostały wytworzone przez wiele różnych klonów pochodzących z różnych limfocytów B i są określane jako poliklonalne. Przeciwciała monoklonalne wytwarza się z klonu komórek pochodzących z pojedynczego limfocytu B. Te identyczne przeciwciała rozpoznają dokładnie ten sam antygen.

Zastosowania terapeutyczne:

Przeciwciała monoklonalne opracowane przeciwko konkretnemu rodzajowi komórki nowotworowej mogą prowadzić do regresji guza, ponieważ komórki rakowe są uznawane za obce organizmowi. Przeciwciała monoklonalne mogą wyzwalać układ odpornościowy pacjenta, aby rozpocząć atakowanie guza. Leki przeciwnowotworowe, które są fizjologicznie związane z przeciwciałami monoklonalnymi skierowanymi przeciwko specyficznym rakowym antygenom, mogą być również dostarczane bezpośrednio przeciwko złośliwości.

Choroby autoimmunologiczne:

Choroba ta powoduje rozkład tolerancji organizmu na własne antygeny, ponieważ komórki B i T reagują przeciwko własnym antygenom tkankowym. W przypadku gorączki reumatycznej organizm zostaje zaszczepiony przeciwko tkankom serca i stawów po zakażeniu. Przeciwciała monoklonalne przeciwko antygenowi komórek T są obecnie wykorzystywane do badania i leczenia wielu chorób autoimmunologicznych.

Przewidywanie ryzyka choroby:

Poszczególne antygeny na powierzchni komórek (podobnie jak leukocyty ludzkie) wiążą się ze względnym ryzykiem wystąpienia chorób takich jak reumatoidalne zapalenie stawów. W związku z tym wczesne rozpoznanie tych antygenów za pomocą przeciwciał monoklonalnych może ułatwić zastosowanie odpowiednich środków zapobiegawczych.

Testy ciążowe:

Po zapłodnieniu i implantacji płodowa jednostka łożyska działa jak hormon wydzielania gruczołów wydzielania wewnętrznego. Należą do nich ludzki hormon gonadotropowy kosmówkowy, wytwarzany w ciągu trzech dni od zapłodnienia i osiągający poziom łatwo wykrywany przez przeciwciała monoklonalne w ciągu siedmiu dni. Opracowane zestawy są używane do potwierdzenia ciąży już w jedenastym dniu od poczęcia.

Opracowanie zrekombinowanych białek do celów medycznych i terapeutycznych:

Do ekspresji rekombinowanych białek stosuje się różne układy ekspresyjne. Te systemy ekspresji mogą być pochodzenia drożdżowego, bakteryjnego, owadziego lub wirusowego. Prokariotyczne wektory ekspresyjne zapewniają dogodny system syntezy białek eukariotycznych, ale białka mogą nie mieć wielu właściwości immunogennych, konformacji 3D i innych cech wykazywanych przez normalne białka eukariotyczne.

Eukariotyczne systemy ekspresyjne, w tym ssaki, płazów, rośliny, owady i drożdże, pokonują wiele z tych ograniczeń. System ekspresji w komórkach ssaków stwarza trudności w oczyszczaniu rekombinowanych białek, w tym ograniczeniach wielkości ekspresjonowanego białka rekombinowanego i mechanizmu indukcji ekspresji białka. Wiele z tych ograniczeń można pokonać za pomocą układów ekspresyjnych z komórek owadzich i drożdżowych.

Insulina, interferon, szczepionki, białka krwi i czynniki wzrostu należą do wielu substancji wytwarzanych przy użyciu genetycznie modyfikowanych drobnoustrojów. Inżynieria genetyczna lub technologia rekombinacji DNA lub manipulacja genetyczna umożliwiła przenoszenie genów z jednego organizmu do drugiego, co powoduje, że komórki produkują zarówno tanio, jak iw dużych ilościach materiały, które normalnie nie byłyby produkowane.

Wytwarzanie substancji poprzez manipulację genetyczną obejmuje wstawienie genu, który koduje białko (produkt), które ma być wytwarzane, do drobnoustroju, który jest w stanie zsyntetyzować produkt. Utworzony produkt można następnie zebrać.

Wraz z pojawieniem się biotechnologii wygenerowano i pomyślnie zastosowano wiele ważnych substancji biomedycznych. Na przykład, oryginalna penicylina G (benzylowa penicylina) ma stosunkowo wąskie spektrum działania przeciwko mikroorganizmom i nie może być podawana doustnie.

Składniki półsyntetycznych penicylin są obecnie wytwarzane przez usunięcie i / lub zamianę łańcucha bocznego w różnych miejscach cząsteczki za pomocą procesu chemicznego lub biologicznego. Penicylina różni się od benzylowej penicyliny. Ma dodatkowy łańcuch aminowy w łańcuchu bocznym, który potwierdza szerszy zakres antybakteryjny i może być podawany doustnie. Enzymem stosowanym do rozszczepienia łańcucha bocznego jest acylaza penicylinowa, która pochodzi z kilku drobnoustrojów, w tym E. coli i Aspergillus repins.

Nowe cele leków i rozwój szczepień:

Wiele potencjalnych celów związanych z lekiem zostało już zidentyfikowanych. Należą do nich kluczowe enzymy metaboliczne, czynniki wzrostu, hormony, substancje przekaźnikowe, produkty onkogenu, neuropeptydy i różne białka receptorowe. Moc technologii rDNA można skierować na te cele, aby w pełni je scharakteryzować.

Analizy DNA można użyć do przewidywania sekwencji aminokwasów klonowanych genów docelowych, a białka można wyrazić w wystarczających ilościach, aby dostarczyć materiał do krystalograficznych smidgów rentgenowskich. Wpływ zmian wywołanych mutagenezą ukierunkowaną można wykazać w funkcji struktury. Taka wiedza jest niezbędna w programach projektowania leków wspomaganych komputerowo.

Jest to kolejny obszar, w którym metody rDNA okazały się skuteczne. W przeszłości w opracowywaniu szczepionek stosowano metody empiryczne do otrzymywania atenuowanych lub zabitych szczepionek w celu zwiększenia bezpieczeństwa produktów. Metody rekombinacji umożliwiają badaczowi dokonanie selekcji genu dla aktywnego immunogenu z organizmu gospodarza i wprowadzenie go do wygodniejszego i łagodnego systemu dla wysokich poziomów ekspresji.

Niektóre z przykładów to:

Insulina:

Jest to ważny hormon regulujący poziom glukozy.

Czynnik antyhemofilny:

Jest to ważny materiał oczyszczony z ludzkiej krwi i stosowany w leczeniu hemofilii. Działanie okazało się trudne z powodu zakażenia hemofilią wirusem AIDS.

Albumina surowicy ludzkiej:

Jest to jedno z najczęstszych białek krwi stosowanych w leczeniu urazów szokowych, takich jak poparzenia.

Engineered Enzymes:

Enzymy te są stosowane w leczeniu szeregu stanów chorobowych, od chorób serca po niewydolność nerek, po niektóre rodzaje wrodzonych niedoborów enzymów.

W tej dziedzinie nieustannie dokonuje się postępów w tej dziedzinie, a nowe horyzonty obejmują rozwój enzymów, takich jak biosensory lub bioelektrody, w celu monitorowania wielu procesów fizjologicznych.

Przemysł spożywczy i napoje:

Ksylanazy:

Enzymy to cząsteczki biologiczne występujące w różnych organizmach. Stwierdzono, że mikroorganizmy są bogatym źródłem ważnych dla przemysłu enzymów. Jednym z takich enzymów jest ksylanaza. Zidentyfikowano różne typy ksylanaz i wyizolowano je poprzez manipulację genetyczną. Obejmują one enzymy trawienne dla naturalnych włókien, takich jak drewno, miazga i celuloza.

Ksylanazy odgrywają bardzo pozytywną rolę w poprawie jakości wypieków. Na przykład, określony enzym ksylanazowy został zidentyfikowany i wytworzony ze szczepu grzybów (Aspergillus niger var awamori). Manipulacje molekularne zwiększyły poziom produkcji tych enzymów o dwadzieścia do czterdziestu razy. Enzym ten (EXLA) został opracowany przez Unilever i jest obecnie dostępny na rynku bezpłatnie.

Wykazano, że wyodrębnianie ksylanazy i celulazy, zwane Flaxzyme, wytwarza czyste włókno, gdy stosuje się je do wyniszczenia knaafu Geny wytwarzające ksylanazę zostały wyizolowane i wstawione do E. coli, która jest wprowadzana do paszy dla kurcząt. Bakterie produkują ksylanazę, która rozkłada ziarno i pozwala pisklęciu szybciej trawić ziarno, co sprzyja szybszemu wzrostowi.

Przeprowadzono kolejne badanie w celu enzymatycznego wytworzenia nowego materiału żelującego na bazie osocza do optymalizacji produktów mięsnych. Firma TNO opracowała system wiązania świeżego zimnego mięsa o nazwie Fibrimex (który jest roztworem fibrynogenu, trombiny i transglutaminaz) ze świeżymi kawałkami mięsa, które z kolei tworzą masę mięsa przymierza.

Emulgatory:

Gumę akacjową stosuje się przeważnie jako emulgator w przemyśle spożywczym ze względu na jej właściwości emulgujące i stabilizujące. Przy użyciu nowych narzędzi molekularnych emulgatory są teraz syntetyzowane z kowalencyjnie sprzężonych węglowodanów, takich jak skrobia, pektyna, cukier i białka z pszenicy, mleka i nasion soi.

Testowanie alergii na orzechy:

Wiele osób wykazało reakcje alergiczne po zjedzeniu orzeszków ziemnych. Aby zwalczyć ten problem, konieczne jest zidentyfikowanie przyczyny tej alergii. W tym celu firma Netherland opracowała bardzo czuły test immunologiczny do wykrywania białek z orzeszków ziemnych w żywności. Jest to pierwszy test orzeszków ziemnych z zastosowaniami komercyjnymi.

Efektywne monitorowanie:

Naukowcy opracowują wszechstronne modele żołądkowo-jelitowe w celu szczegółowego monitorowania strawności, biokonwersji i biodegradacji żywności oraz leków i zanieczyszczeń z punktu widzenia bezpieczeństwa i funkcjonalności. Modele te (TIM-TNO - modele in vitro) są obecnie wykorzystywane do badania efektu trawiennego żywności nutraceutycznej.

Słodzik o wysokiej intensywności:

Firma Hoechst opracowała "Aesulfamek", słodzik o dużej intensywności pod nazwą Sunett ^TM . Jego skuteczność i toksykologiczne testy bezpieczeństwa dały temu produktowi niezwykle skuteczny środek słodzący.

Wapń:

Jednym z najważniejszych i innowacyjnych zastosowań biotechnologii jest poprawa poziomu wapnia w naszym pożywieniu Naukowcy wykazali, że oligo-fruktoza, naturalnie występujący, o niskiej strawności oligosacharyd, zwiększa wchłanianie wapnia nawet o dwadzieścia dwa procent. Takie badania mogą otworzyć śluzy dla nowych obszarów zastosowań zdrowotnych i nowych klas składników. Odkrycia te można wykorzystać do tworzenia nowych produktów w mleczarni, piekarniach, słodyczach i napojach.

Żywność z drobnoustrojów:

O ile browarnictwo i pieczenie istnieją od wieków, obecnie używamy w tym procesie genetycznie czystych szczepów. Badania pokazują, że prawie 1, 5 miliona ton drożdży piekarskich {Saccharomyces cervisiae) jest produkowanych na całym świecie każdego roku. Nowoczesne rośliny również zmniejszyły czas wymagany w procesie fermentacji z miesięcy do dni. Podobnie grzyb Aspergillus oryzae jest używany do produkcji szerokiego zakresu ważnych enzymów.

Grzyby jadalne:

Rank Hons McDougall PLC & ICI (Zeneca) niedawno uzyskał myco-białko Quorn z grzyba nitkowatego Fusarium graminecerarum. Quorn uzyskuje się z grzybni uprawianej w dużych fermentorach. Otrzymany produkt końcowy ma konsystencję przypominającą mięso i jest uważany za najbardziej dokładnie przetestowaną żywność. Roczna sprzedaż Quorn wynosi 15 milionów funtów w samej tylko Wielkiej Brytanii.

Produkty przemysłowe:

Niedawno odkryto, że enzym celulozowy może zastąpić kamienie pumeksowe stosowane w przemyśle tekstylnym do produkcji denimu stonewashed. Pomoże to przeciwdziałać uszkodzeniom, które kamień pymistyczny może spowodować w tkaninie. Enzym celulozowy można również stosować jako środek do bio-polerowania, ponieważ usuwa on grudkę z powierzchni włókien celulozowych.

Proteazy i hydroliza są stosowane odpowiednio w praniu i obróbce skrobi. Manipulacje genetyczne mogą tworzyć prostsze cząsteczki z tych złożonych lub przekształcać już znane struktury chemiczne w bardziej aktywne związki.

Na przykład słodkość syropu kukurydzianego można znacznie zwiększyć przez chemiczną transformację z użyciem enzymu izomeryzującego glukozę. Rozwój ten może mieć bardzo szerokie zastosowanie w dziedzinie farmacji, żywności i rolnictwa.

Wiele ważnych produktów przemysłowych zostało wyprodukowanych z grzybów wykorzystujących technologię fermentacji. Grzyby, które wydzielają określone enzymy, mogą łatwo rozkładać materiały organiczne. Antybiotyki zostały również wyizolowane z grzybów.

Późno cyklosporyna została wyizolowana z grzyba Tolypocladium inflatum jako związek przeciwgrzybiczy, który okazał się środkiem immunosupresyjnym. Lek ten jest najczęściej stosowany w celu zapobiegania odrzucaniu przeszczepów narządów ludzkich.

Organizmy grzybowe są również źródłem biopolimerów, takich jak polisacharydy. Te szczepy, hodowane w specyficznych warunkach, mogą pomóc w uzyskaniu tych biopolimerów, które są bardzo przydatne dla przemysłu. Wiele grzybów wytwarza dużą liczbę pigmentów, a zatem wykorzystuje się je do wytwarzania barwników tekstylnych.

Niektóre pigmenty grzybów są znane jako pochodne antrachinonowe, które przypominają ważną grupę barwników Vat. Zastosowanie tych barwników grzybowych w przemyśle włókienniczym zmniejsza problemy związane z usuwaniem odpadów syntetycznych chemikaliów.

Rośliny bawełny są bardzo podatne na ataki owadów. Aby temu przeciwdziałać, opracowano transgeniczne rośliny bawełny. Rośliny te posiadają gen bakterii "Bacillus thrungiensis", który chroni roślinę przed atakiem owadów.

Naukowcy próbują także opracować transgeniczne, kolorowe bawełny, które mogłyby zastąpić proces bielenia i barwienia. Biotechnologia ma również wpływ na produkcję włókien zwierzęcych. Manipulacje genetyczne mogą zapobiegać ścinaniu wełny u owiec, co spowodowane jest atakiem narybku larw.

Kilka firm stara się opracować biopolimery tworzące włókna. Jednym z takich produktów opracowanych przez Zeneca Bio-products jest "Biopol". Ten związek chemiczny, polihydroksymaślan (PHB), to liniowy poliester o dużej masie cząsteczkowej o właściwościach termoplastycznych, który można w ten sposób stopić i przęść na włókna.

Jego biokompatybilny i biodegradowalny charakter sprawia, że ​​jest niezwykle przydatny do wytwarzania narzędzi chirurgicznych. Na przykład, szwy wykonane z PHB są łatwo rozkładalne przez enzymy obecne w ludzkim ciele. Próbuje się również klonować takie geny, a następnie przenieść je do roślin. Umożliwiłoby to wytwarzanie tych związków w znacznie większych ilościach, a następnie obniżyłoby ich koszty.

Korzyści dla przemysłu włókienniczego:

Oprócz celulozy, barwników i ulepszonych roślin bawełny, inne zastosowania biotechnologii w przemyśle włókienniczym obejmują:

1. Wykorzystanie ulepszonych odmian roślin do produkcji włókien tekstylnych i właściwości włókien.

2. Poprawa włókna pochodzącego ze zwierząt.

3. Nowe włókna z biopolimerów i genetycznie zmodyfikowanych drobnoustrojów.

4. Zastąpienie trudnych i energochłonnych chemikaliów przez ekologiczne enzymy do przetwarzania tekstyliów.

5. Opracowanie detergentów o niskiej energii.

6. Nowe narzędzia diagnostyczne do kontroli jakości gospodarki odpadami włókienniczymi.

Przemysł papierniczy:

Grzyby, które powodują białą zgniliznę okazały się całkiem przydatne dla przemysłu papierniczego. Gatunki takie jak "Phanerochaete chrysosporium" i "Trametis versicolor" zastąpiły niektóre chemiczne etapy stosowane w papiernictwie. Może to wyeliminować ryzyko zanieczyszczenia związane ze stosowaniem chemikaliów.

Siły biotechnologiczne są na dobrej drodze do zwiastowania całej nowej rewolucji przemysłowej. Siła tej rewolucji będzie polegała na wykorzystaniu żywych organizmów i wykorzystaniu narzędzi molekularnych jako skutecznej alternatywy dla konwencjonalnych surowców chemicznych. A jeśli obecne trendy są oznaką, ta nowa rewolucja zmieni na nowo przemysł w przyszłości.