Pramoninės biotechnologijos: Įvadas į pramoninę biotechnologiją ir jos taikymas

Pramoninės biotechnologijos: Įvadas į pramoninę biotechnologiją ir jos taikymas!

Pirmoji biotechnologijų pramoninės paskirties išraiška buvo nustatyta alaus, vyno, sūrio, duonos ir kitų fermentuotų produktų gamyboje.

Pastaraisiais metais tokios programos išplėtė ir apima labai platų maisto, chemijos ir farmacijos pramonės produktų asortimentą. Genetinė inžinerija ir molekulinė biologija pasirodė neįkainojama ne tik daugelio produktų kūrimui, bet ir naujų bei efektyvesnių bioprocesų diegimui.

Biotechnologijos ir medicina:

Biotechnologijų naudojimas atvėrė visiškai naują pasaulį galimybių medicinos srityje. Šis platus programų spektras savo ruožtu papildė didžiulį potencialą medicinos srityje. Pavyzdžiui, onkogenų atveju buvo sukurti įvairūs „genetiniai žymenys“, skirti nustatyti krūties, gaubtinės žarnos, broncho, stemplės ir nugaros piktybinius navikus. Daugelis psichikos sutrikimų, dėl kurių atsiranda atminties ir nereguliaraus elgesio sutrikimų, dabar suprantami atsižvelgiant į genų slopinimą arba aktyvavimą.

Tai yra demencija, pvz., Alzheimerio liga ir šizofrenija (pastaroji atsiranda dėl vieno aberrantinio geno). Biotechnologija taip pat turi didžiulį vaisingumo kontrolės potencialą. Taip pat buvo užtikrintas saugus organų persodinimas ir kūno imuninės sistemos manipuliavimas. Dizaineriai yra dar vienas vystymasis, kuris yra specialiai pritaikytas manipuliuoti atskirais genais arba jų dalimis ir slopinti arba sukelti konkrečius veiksmus.

Kai kurios kitos biotechnologijos taikomos medicinoje yra: „

Antibiotikai:

Antibiotikų gamyba yra pelningiausia farmacijos pramonės dalis. Šiuo metu vartojama daugiau nei šimtas antibiotikų, o daugelis baimingų bakterinių ligų yra kontroliuojamos. Pagrindinės antibiotikų grupės apima peniciliną, tetracikliną, cefalosporiną ir eritromiciną.

Flemingas 1928 m. Atrado peniciliną ir 1944 m. Howardas jį sukūrė iš grybelio, pavadinto Penicillium notatum ir vėliau iš Pchrysogenum. Penicillium gamina didžiausią penicilino kiekį, kai ląstelės nustoja augti.

Penicilino fermentacijai reikalingos septynios iki aštuonios dienos maksimaliam derliui. Grybai Cephlosporium naudojami cefalosporino C, antibiotiko, kuris gali žudyti net tas bakterijas, kurios tampa atsparios penicilinui, gamybai. Streptomicinas buvo aptiktas ir pagamintas iš gijinio mikrobo Streptomyces griseus.

Genai kaip savaime tiesiogiai nekoduoja antibiotikų. Dauguma jų yra gaminamos ląstelės viduje po cheminių reakcijų, kurias katalizuoja fermentai. Fermentai surenkami iš specifinių genų instrukcijų, o ląstelės gali būti naudojamos naujų antibiotikų gamybai. Ląstelių sintezė leidžia generuoti naują genų derinį.

Pats ląstelėje gali būti genų, kurie gali nurodyti ląsteles atlikti naujus antibiotikus, tačiau jų negalima išreikšti. Sujungiant šias ląsteles, šie genegai gali būti aktyvuoti, sintezuojami nauji fermentai, o gauti mikrobai gali gaminti naujus antibiotikus.

Antikūnai:

Kai organizme yra invazija į bakterijas, grybus ar virusus, kraujas ir limfos liaukos generuoja antikūnus kaip gynybos mechanizmą. Šie antikūnai (arba imunoglobulinai) identifikuoja svetimas medžiagas (arba antigenus) ir prisiriša prie svetimos medžiagos. Kūno sudėtyje yra milijonai skirtingų antikūnų tipų, ir kiekviena turi tam tikrą struktūrą. Jei antikūnas susiduria su ta pačia konfigūracija turinčia svetima medžiaga, abu bus užrakinti.

Kai antigenai yra implantuojami į peles, triušius, ožkas ar arklius, daugelis B-limfocitų prisijungia prie antigeno ir gamina įvairius imunoglobulinus kaip antikūnus antigenui. Taigi, bendras antikūnų, susidarančių tam tikram antigenui, gamina daugybė skirtingų klonų, gautų iš skirtingų B-limfocitų ir yra vadinami polikloniniais. Monokloniniai antikūnai gaminami iš ląstelių, gautų iš vieno B-limfocito, klono. Šie identiški antikūnai tiksliai pripažįsta tą patį antigeną.

Terapinės programos:

Monokloniniai antikūnai, sukurti prieš tam tikrą vėžio ląstelių tipą, gali lemti naviko regresiją, nes vėžinės ląstelės yra atpažįstamos kaip svetimos organizmui. Monokloniniai antikūnai gali užkirsti kelią paciento imuninei sistemai, kad pradėtų atakuoti naviką. Antikoroziniai vaistai, kurie yra fiziologiškai prijungti prie monokloninių antikūnų, nukreiptų prieš specifinius vėžinius antigenus, taip pat gali būti pristatyti tiesiogiai prieš piktybinius navikus.

Autoimuninė liga:

Ši liga sukelia organizmo toleranciją savo antigenams, nes B ir T ląstelės reaguoja į savo audinių antigenus. Reumatinės karštinės metu organizmas imunizuojamas nuo širdies audinių ir sąnarių po infekcijos. Monokloniniai antikūnai prieš T-ląstelių antigeną dabar naudojami daugelio autoimuninių ligų tyrimui ir gydymui.

Prognozavimas dėl ligos rizikos:

Konkretūs antigenai ant ląstelės paviršiaus (pvz., Žmogaus leukocitų) buvo susiję su santykine rizika susirgti tokiomis ligomis kaip reumatoidinis artritas. Taigi ankstyvas šių antigenų atpažinimas naudojant monokloninius antikūnus gali palengvinti tinkamas prevencines priemones.

Nėštumo testavimas:

Po tręšimo ir implantacijos vaisiaus placentos vienetas veikia kaip hormonai, kurių endokrininė medžiaga yra endokrininė. Tai apima žmogaus chorioninį gonadotropinį hormoną, kuris gaminamas per tris dienas nuo pastojimo ir pasiekia lygį, kurį lengvai nustato monokloniniai antikūnai per septynias dienas. Sukurtas rinkinys naudojamas nėštumo patvirtinimui jau vienuoliktą dieną nuo pastojimo.

Rekombinantinių baltymų kūrimas medicinos ir terapijos tikslais:

Rekombinantinių baltymų ekspresijai naudojamos skirtingos ekspresijos sistemos. Šios ekspresijos sistemos gali būti mielės, bakterijos, vabzdžiai arba virusinė kilmė. Prokariotiniai ekspresijos vektoriai suteikia patogią sistemą eukariotinių baltymų sintezei, tačiau baltymai gali trūkti daugelio imunogeninių savybių, 3D konformacijos ir kitų savybių, kurias parodo normalūs eukariotiniai baltymai.

Eukariotinės ekspresijos sistemos, įskaitant žinduolių, varliagyvių, augalų, vabzdžių ir mielių, įveikia daugelį šių apribojimų. Žinduolių ląstelių ekspresijos sistema sukelia sunkumų gryninant rekombinantinius baltymus, įskaitant išreikšto rekombinantinio baltymo dydžio ir baltymų ekspresijos indukcijos mechanizmo apribojimus. Daugelis šių apribojimų gali būti įveikti naudojant vabzdžių ir mielių ląstelių ekspresijos sistemas.

Insulinas, interferono, vakcinos, kraujo baltymai ir augimo faktoriai yra tarp daugelio medžiagų, pagamintų naudojant genetiškai modifikuotus mikrobus. Genetinė inžinerija arba rekombinantinė DNR technologija arba genetinė manipuliacija leido perkelti genus iš vieno organizmo į kitą, skatinant ląsteles gaminti tiek pigiai, tiek dideliais kiekiais, medžiagomis, kurios paprastai nebūtų gaminamos.

Gaminant medžiagas genetiškai manipuliuojant, reikia įterpti geną, kuris koduoja baltymą (produktą), kurį reikia gaminti, į mikrobią, kuris gali sintezuoti produktą. Gautą produktą galima vėliau surinkti.

Su biotechnologijų atsiradimu buvo sukurtos ir sėkmingai taikomos daugelis svarbių biomedicinos medžiagų. Pavyzdžiui, originalus penicilinas G (benzilo penicilinas) turi santykinai siaurą aktyvumo spektrą prieš mikroorganizmus ir negali būti vartojamas žodžiu.

Pusiau sintetinio penicilino nariai dabar gaminami šalinant ir (arba) pakeičiant šoninę grandinę įvairiose molekulės vietose cheminiu arba biologiniu būdu. Penicilinas skiriasi nuo benzilo penicilino. Jo šoninėje grandinėje yra papildoma amino grupė, kuri patvirtina platesnį antibakterinį diapazoną ir gali būti skiriama per burną. Fermentas, naudojamas skaldyti šoninę grandinę, yra penicilino acilazė, gauta iš kelių mikrobų, įskaitant E. coli ir Aspergillus repins.

Nauji tikslai ir vakcinos kūrimas:

Daugelis galimų narkotikų tikslų jau nustatyti. Tai yra pagrindiniai metaboliniai fermentai, augimo faktoriai, hormonai, siųstuvų medžiagos, onkogeniniai produktai, neuropeptidai ir įvairūs receptorių baltymai. RDNA technologijos galia gali būti nukreipta į šiuos tikslus, kad juos būtų galima visiškai apibūdinti.

DNR analizė gali būti naudojama klonuotų tikslinių genų aminorūgščių sekai prognozuoti, ir baltymai gali būti išreikšti pakankamu kiekiu, kad gautų medžiagą rentgeno kristalografiniams smidgesams. Vietos nukreiptos mutagenezės atsiradusių pokyčių poveikį galima įrodyti struktūrinės funkcijos požiūriu. Tokios žinios yra būtinos kompiuterizuotoms narkotikų kūrimo programoms.

Tai dar viena sritis, kurioje rDNA metodai buvo sėkmingi. Anksčiau vakcinos kūrimas naudojo empirinius metodus, kaip nustatyti silpnintas ar nužudytas vakcinas, kad padidėtų produktų saugumas. Rekombinantiniai metodai leidžia tyrėjui išsklaidyti aktyvaus imunogeno geną iš šeimininko organizmo ir įvesti jį į patogesnę ir geresnę sistemą, skirtą aukštai ekspresijai.

Kai kurie pavyzdžiai:

Insulinas:

Tai svarbus hormonas, reguliuojantis gliukozės kiekį.

Antihemofilinis faktorius:

Tai svarbi medžiaga, išgryninta iš žmogaus kraujo ir naudojama hemofilijos gydymui. Veiksmai pasirodė sunkūs dėl hemofilijų infekcijos AIDS viruso.

Žmogaus serumo albuminas:

Tai vienas iš labiausiai paplitusių kraujo baltymų, naudojamų gydant šokas, pvz., Nudegimus.

Inžineriniai fermentai:

Šie fermentai naudojami įvairioms ligoms gydyti nuo širdies ligų iki inkstų nepakankamumo iki tam tikrų paveldėtų fermentų trūkumų.

Nuolat vyksta sparčios pažangos, o nauji horizontai apima fermentų, pvz., Biosensorių ar biologinių elektrodų, kūrimą, kad būtų galima stebėti daugelį fiziologinių procesų.

Maisto ir gėrimų pramonė:

Ksilanazės:

Fermentai yra biologinės molekulės, esančios įvairiuose organizmuose. Nustatyta, kad mikroorganizmai yra daug pramoniškai svarbių fermentų. Vienas iš tokių fermentų yra ksilazė. Įvairių tipų ksilanazės buvo identifikuotos ir išskirtos genetiškai manipuliuojant. Tai apima virškinimo fermentus natūraliems pluoštams, pvz., Medienai, plaušienai ir celiuliozei.

Ksilanazės vaidina labai teigiamą vaidmenį gerinant kepinių kokybę. Pavyzdžiui, specifinis ksilanazės fermentas buvo identifikuotas ir pagamintas iš grybelinės padermės (Aspergillus niger var awamori). Molekulinės manipuliacijos padidino šių fermentų gamybos lygį dvidešimt keturiasdešimt kartų. Šį fermentą (EXLA) sukūrė „Unilever“, kuris dabar laisvai prieinamas rinkoje.

Nustatyta, kad ksilazė ir celiulazės nuoviras, vadinamas Flaxzyme, gamina švarų pluoštą, kai naudojamas knaaf retinimui. Xilanazę gaminantys genai buvo izoliuoti ir įterpti į E. coli, kuris yra indukuojamas į viščiukų pašarą. Bakterijos gamina ksilazę, kuri suskaido grūdus ir leidžia jaunikliui greičiau virškinti grūdus, tokiu būdu skatinant spartesnį augimą.

Atliktas kitas tyrimas, siekiant fermentiškai gaminti naują plazmos baltymų pagrindu pagamintą gelio formavimo medžiagą mėsos produktams optimizuoti. TNO kompanija sukūrė šviežią šalto mėsos rišimo sistemą, vadinamą Fibrimex (tai yra fibrinogeno, trombino ir transglutaminazės tirpalas) su šviežiais mėsos gabalėliais, kurie savo ruožtu sudaro mėsos sandaros masę.

Emulsikliai:

Acacia guma dažniausiai naudojama kaip emulsiklis maisto pramonėje dėl savo emulsinimo ir stabilizavimo savybių. Naudojant naujus molekulinius įrankius, emulsikliai dabar sintetinami iš kovalentiškai sujungtų angliavandenių, tokių kaip krakmolas, pektinas, cukrus ir baltymai iš kviečių, pieno ir sojos pupelių.

Žemės riešutų alergijos testavimas:

Nustatyta, kad po valgymo riešutų daugelis žmonių turi alerginių reakcijų. Siekiant kovoti su šia problema, būtina nustatyti šios alergijos priežastį. Šiuo tikslu Nyderlandų bendrovė sukūrė labai jautrią imunologinę analizę, kad aptiktų maisto produktų žemės riešutų baltymus. Tai yra pirmasis žemės riešutų tyrimas su komerciniais tikslais.

Efektyvus stebėjimas:

Mokslininkai kuria įvairiapusius virškinimo trakto modelius, skirtus išsamiai stebėti maisto produktų ir narkotikų bei teršalų virškinamumą, biokonversiją ir biologinį skaidomumą nuo saugos ir funkcionalumo. Šie modeliai (TIM-TNO - in vitro modeliai) dabar naudojami tiriant maistinių maisto produktų virškinamąjį poveikį.

Aukšto intensyvumo saldiklis:

„Hoechst“ sukūrė „Aesulfamek“, didelio intensyvumo saldiklis, pavadintas „Sunett ^TM“ . Jo veiksmingumas ir toksikologinis saugumo tyrimas nustatė, kad šis produktas yra labai veiksmingas saldiklis.

Kalcio suvartojimas:

Vienas iš svarbiausių ir novatoriškiausių biotechnologijų pritaikymų yra kalcio kiekio gerinimas mūsų maisto produktuose. Tyrėjai parodė, kad oligo-fruktozė, natūraliai esanti mažai virškinama oligosacharidas, padidina kalcio absorbciją net dvidešimt dviejų procentų. Tokie tyrimai gali atverti užtvaras naujoms sveikatos taikymo sritims ir naujoms sudedamųjų dalių grupėms. Šios išvados gali būti naudojamos kuriant naujus produktus pieno, kepyklos, konditerijos gaminiuose ir gėrimuose.

Mikrobų maisto produktai:

Nors alaus ir kepimo amžius egzistuoja, šiuo metu mes naudojame genetiškai grynus padermes. Tyrimai rodo, kad visame pasaulyje kasmet gaminama beveik 1, 5 mln. Tonų kepimo mielių {Saccharomyces cervisiae). Šiuolaikiniai augalai taip pat sumažino fermentacijos proceso trukmę nuo mėnesių iki dienų. Panašiai, Aspergillus oryzae grybelis naudojamas daugeliui svarbių fermentų.

Valgomieji grybai:

„Hons McDougall PLC“ ir „ICI“ („Zeneca“) neseniai įsigijo „Quorn myco-protein“ iš grybelinio grybelio „Fusarium graminecerarum“. Kyšulys gaunamas iš didžiųjų fermentatorių auginamų mielių. Galutinis gautas produktas turi mėsos tekstūrą, ir yra pranešta, kad jis yra kruopščiai išbandytas maistas. Vien metinė „Quorn“ pardavimo apimtis vien tik Jungtinėje Karalystėje siekia 15 mln. Svarų.

Pramoniniai produktai:

Neseniai buvo nustatyta, kad celiuliozės fermentas gali pakeisti tekstilės pramonėje naudojamus pemzos akmenis, kad gamintų akmenų pluoštą. Tai padės kovoti su pažeidimais, kuriuos audinys gali sukelti akmenų akmuo. Celiuliozės fermentas taip pat gali būti naudojamas kaip biologinis poliravimo agentas, nes jis pašalina pūkelius iš celiuliozės pluošto paviršiaus.

Proteazės ir hidrolizės naudojamos atitinkamai skalbinių plovikliams ir krakmolo apdorojimui. Genetinė manipuliacija gali sukurti paprastesnes šių sudėtingų molekulių molekules, arba jau žinomas chemines struktūras paversti aktyvesniais junginiais.

Pavyzdžiui, kukurūzų sirupo saldumas gali būti žymiai padidintas cheminiu transformavimu naudojant gliukozės izomerizavimo fermentą. Šie pokyčiai gali būti labai plačiai taikomi farmacijos, maisto ir žemės ūkio srityse.

Daugelis svarbių pramoninių produktų buvo pagaminti iš grybų naudojant fermentacijos technologiją. Grybai, išskiriantys specifinius fermentus, gali lengvai suskaidyti organines medžiagas. Antibiotikai taip pat buvo išskirti iš grybų.

Vėliau ciklosporinas buvo išskirtas iš grybelio Tolypocladium inflatum kaip priešgrybelinis junginys, kuris pasirodė esantis imunosupresiniu agentu. Šis vaistas dažniausiai naudojamas žmonių organų transplantacijos atmetimo prevencijai.

Grybeliniai organizmai taip pat yra biopolimerų, tokių kaip polisacharidai, šaltinis. Šie kamienai, auginami specifinėmis sąlygomis, gali padėti gauti šiuos biopolimerus, kurie yra labai naudingi pramonei. Daugelis grybų gamina daug pigmentų ir todėl naudojami tekstilės dažams gaminti.

Yra žinoma, kad kai kurie grybeliniai pigmentai yra antrakinono dariniai, panašūs į svarbią Vat dažų grupę. Šių grybų dažų naudojimas tekstilės pramonėje sumažina problemas, susijusias su sintetinių cheminių medžiagų šalinimu.

Medvilniniai augalai yra labai linkę į vabzdžių išpuolius. Siekiant išspręsti šią problemą, dabar buvo sukurti transgeniniai medvilnės augalai. Šie augalai turi bakterijų „Bacillus thrungiensis“ geną, kuris apsaugo augalą nuo vabzdžių atakos.

Mokslininkai taip pat bando sukurti transgeninių spalvų medvilnes, kurios galėtų pakeisti balinimo ir mirties procesą. Biotechnologijos taip pat turėjo įtakos gyvūnų pluošto gamybai. Genetinės manipuliacijos gali užkirsti kelią vilnos kirpimui avyje, kurią sukelia išpuolių iš kepinių lervų.

Keletas bendrovių stengiasi sukurti skaidulų formuojančius biopolimerus. Vienas iš tokių produktų, kuriuos sukūrė „Zeneca Bio-products“, yra „Biopol“. Šis cheminis junginys, polichy-drroxybutyrate (PHB), yra didelės molekulinės masės linijinis poliesteris su termoplastinėmis savybėmis, todėl gali būti lydomas ir susuktas į pluoštą.

Biologiškai suderinamas ir biologiškai skaidomas gaminys taip pat labai naudingas chirurginiams įrankiams gaminti. Pavyzdžiui, iš PHB pagaminti siūlai lengvai skaidomi žmogaus organizme esančių fermentų. Taip pat bandoma klonuoti tokius genus, o vėliau juos perkelti į augalus. Tai leistų pagaminti šiuos junginius daug didesniu kiekiu ir vėliau sumažintų jo kainą.

Privalumai tekstilės pramonei:

Be celiuliozės, dažiklių ir patobulintų medvilnės augalų, kitos biotechnologijos tekstilės pramonėje taikomos:

1. Patobulintų augalų veislių naudojimas tekstilės pluoštų ir pluošto savybių gamybai.

2. Iš gyvūnų gauto pluošto gerinimas.

3. Nauji biopolimerų ir genetiškai modifikuotų mikrobų pluoštai.

4. Kruopščiai ir energingai reikalaujančių cheminių medžiagų pakeitimas ekologiškais fermentais tekstilės perdirbimui.

5. Mažai energijos naudojančių ploviklių kūrimas.

6. Naujos tekstilės atliekų tvarkymo kokybės kontrolės priemonės.

Popieriaus pramonė:

Grybai, kurie sukelia baltąjį puvinį, yra gana naudingi popieriaus pramonei. Tokios rūšys, kaip „Phanerochaete chrysosporium“ ir „Trametis versicolor“, pakeitė kai kuriuos chemijos etapus, naudojamus popieriaus gamyboje. Tai gali pašalinti taršos pavojus, susijusius su cheminių medžiagų naudojimu.

Biotechnologijos pajėgos gerai seka visiškai naują pramoninę revoliuciją. Šios revoliucijos jėga bus gyvų organizmų išnaudojimas ir molekulinių įrankių naudojimas kaip veiksmingos tradicinių cheminių žaliavų alternatyvos. Ir jei dabartinė tendencija yra bet koks požymis, ši nauja revoliucija ateityje bus iš naujo apibrėžta pramonė.