Industriel bioteknologi: En introduktion til industriel bioteknologi og dens applikationer

Industriel bioteknologi: En introduktion til industriel bioteknologi og dens applikationer!

Det første udtryk for industrielle anvendelser af bioteknologi blev fundet i produktionen af ​​øl, vin, ost, brød og andre fermenterede produkter.

Gennem årene har sådanne applikationer udvidet til at omfatte en meget bred vifte af produkter inden for fødevare-, kemi- og medicinalindustrien. Geneteknik og molekylærbiologi har vist sig uvurderlig ikke kun for udviklingen af ​​en lang række produkter, men også for indførelse af nye og mere effektive bioprocesser.

Bioteknologi og medicin:

Anvendelsen af ​​bioteknologi har åbnet en helt ny verden af ​​muligheder inden for medicin. Denne bred vifte af applikationer har igen tilføjet stort potentiale til medicinområdet. For eksempel er der i tilfældet med onkogener blevet udviklet forskellige genetiske markører for at identificere maligniteter i bryst, tyktarm, bronchus, spiserør og prostrate. Mange psykiatriske lidelser, der resulterer i manglende hukommelse og afvigende adfærd, forstås nu i lyset af genundertrykkelse eller aktivering.

Disse omfatter demens som Alzheimers sygdom og skizofreni (sidstnævnte er afholdt af et enkelt afvigende gen). Bioteknologi har også et stort potentiale for fertilitetskontrol. Sikker organtransplantation og manipulation af kroppens immunsystem er også blevet muliggjort. Designer-stoffer er endnu en udvikling, som er specielt skræddersyet til at manipulere hele eller dele af individuelle gener og undertrykke eller fremkalde specifikke handlinger.

Nogle af de andre anvendelser af bioteknologi til medicin er: '

Antibiotika:

Fremstilling af antibiotika er den mest rentable del af medicinalindustrien. Mere end hundrede antibiotika anvendes i øjeblikket, og mange frygtede bakteriesygdomme er blevet bragt under kontrol. De vigtigste grupper af antibiotika omfatter penicillin, tetracyclin, cephalosporin og erythromycin.

Penicillin blev opdaget af Fleming i 1928, og udviklet af Howard i 1944 fra en svamp med navnet Penicillium notatum og senere fra Pchrysogenum. Penicillium producerer den største mængde penicillin, når cellerne holder op med at vokse.

Gæringen af ​​penicillin kræver syv til otte dage for maksimal udbytte. Svampen Cephlosporium bruges til fremstilling Cephalosporin C, et antibiotikum, der kan dræbe selv de bakterier, som bliver resistente over for penicillin. Streptomycin blev opdaget og produceret fra filamentøse mikrobe Streptomyces griseus.

Gener som sådan, må ikke direkte kode antibiotika. De fleste af dem produceres inde i cellen efter en række kemiske reaktioner, som katalyseres af enzymer. Enzymerne er samlet fra instruktioner fra specifikke gener, og celler kan bruges til at producere nye antibiotika. Cellefusion tillader ny generation af gener.

Gen, der kan instruere cellerne til at fremstille nye antibiotika, kan være til stede i selve cellen, men de kan ikke udtrykkes. Ved at fusionere disse celler kan disse genegener aktiveres, nye enzymer syntetiseres, og de resulterende mikrober kan fremstille nye antibiotika.

Antistoffer:

Når der er en invasion af bakterier, svampe eller vira i kroppen, producerer blod og lymfekirtler antistoffer som en forsvarsmekanisme. Disse antistoffer (eller immunoglobulin er) identificerer de fremmede stoffer (eller antigener), og fastgør sig til det fremmede materiale. Der er millioner af forskellige antistoffer i kroppen, og hver har en særlig struktur. Hvis et antistof møder et fremmed stof med samme konfiguration, låses de to sammen.

Når antigener implanteres til mus, kaniner, geder eller heste, binder mange B-lymfocytter til antigenet for at producere en række forskellige immunoglobuliner som antistoffer mod antigenet. Således er de totale antistoffer dannet mod et bestemt antigen produceret af mange forskellige kloner afledt af forskellige B-lymfocytter og betegnes polyklonale. Monoklonale antistoffer fremstilles fra en klon af celler afledt fra en enkelt B-lymfocyt. Disse identiske antistoffer genkender nøjagtigt det samme antigen.

Terapeutiske applikationer:

Monoklonale antistoffer udviklet mod en bestemt type cancercelle kan føre til regression af tumoren, da kræftcellerne anerkendes som fremmede for kroppen. Monoklonale antistoffer kan udløse en patients immunsystem for at begynde at angribe en tumor. Anti-cancer-lægemidler, der er fysiologisk bundet til monoklonale antistoffer rettet mod specifikke kræftformer, kan også leveres direkte mod maligniteten.

Autoimmun sygdom:

Denne sygdom medfører en sammenbrud i kroppens tolerance over for sine egne antigener, da B- og T-cellerne reagerer mod deres eget vævsantigener. Ved revmatisk feber bliver kroppen immuniseret mod væv i hjertet og leddene efter en infektion. Monoklonale antistoffer mod T-celleantigen bruges nu til at studere og behandle mange autoimmune sygdomme.

Forudsigelse af sygdomsrisiko:

Særlige antigener på celleoverfladen (som dem af humane leukocytter) er blevet forbundet med den relative risiko for forekomst af sygdomme som rheumatoid arthritis. Således kan tidlig anerkendelse af disse antigener ved anvendelse af monoklonale antistoffer lette egnede forebyggende foranstaltninger.

Graviditetstestning:

Efter befrugtning og implantering fungerer fostrets placentale enhed som hormondannende hormoner. Disse omfatter det humane chorioniske gonadotrope hormon, som produceres inden for tre dage efter undfangelsen og når et niveau, som let kan detekteres af monoklonale antistoffer inden for syv dage. De udviklede kits bruges til at bekræfte graviditeten så tidligt som den ellevte dag fra undfangelsen.

Udvikling af rekombinante proteiner til medicinsk og terapeutisk brug:

Forskellige ekspressionssystemer anvendes til at udtrykke de rekombinante proteiner. Disse ekspressionssystemer kan være af gær, bakterier, insekt eller en viral oprindelse. Prokaryote ekspressionsvektorer tilvejebringer et bekvemt system til syntetisering af eukaryote proteiner, men proteinerne kan mangle mange af de immunogene egenskaber, 3D-konformation og andre egenskaber udvist af normale eukaryote proteiner.

Eukaryote ekspressionssystemer, herunder pattedyr, amfibier, planter, insekter og gær overvinder mange af disse begrænsninger. Mammalcelleekspressionssystem udgør vanskeligheder ved oprensning af rekombinante proteiner, herunder begrænsninger på størrelsen af ​​det rekombinante protein udtrykt og mekanismen for proteinekspression induktion. Mange af disse begrænsninger kan overvindes ved anvendelse af ekspressionssystemer fra insekt- og gærceller.

Insulin, interferon, vacciner, blodproteiner og vækstfaktorer er blandt de mange stoffer, der fremstilles ved hjælp af genetisk manipulerede mikrober. Geneteknik eller rekombinant DNA-teknologi eller genetisk manipulation har gjort det muligt at overføre gener fra en organisme til en anden, hvilket inducerer celler til at fremstille både billigt og i store mængder de materialer, der normalt ikke ville produceres.

Fremstillingen af ​​stoffer ved genetisk manipulation involverer insertion af genet, der koder for proteinet (produktet), der skal fremstilles i en mikrobe, som er i stand til at syntetisere produktet. Den dannede vare kan efterfølgende opsamles.

Med fremkomsten af ​​bioteknologi er mange vigtige biomedicinske stoffer blevet genereret og anvendt med succes. For eksempel har originale penicillin G (benzylpenicillin) et relativt snævert spektrum af aktivitet mod mikroorganismer og kan ikke gives oralt.

Medlemmer af halvsyntetisk penicillin er nu fremstillet ved fjernelse og eller substitution af sidekæde på forskellige steder i molekylet ved kemisk eller biologisk proces. Penicillin adskiller sig fra benzylpenicillin. Den har en yderligere aminogruppe på sin sidekæde, der bekræfter et bredere antibakterielt område og kan gives oralt. Det enzym, der anvendes til at spalte sidekæden, er penicillinacylase, som er afledt af flere mikrober, herunder E. coli og Aspergillus repiner.

Nye Drug Mål og Vaccine Development:

Mange potentielle lægemiddelmål er allerede blevet identificeret. Disse omfatter nøgle metaboliske enzymer, vækstfaktorer, hormoner, transmitterstoffer, onkogenprodukter, neuropeptider og forskellige receptorproteiner. Effekten af ​​rDNA teknologi kan rettes mod disse mål for at karakterisere dem fuldt ud.

DNA-analyse kan anvendes til at forudsige aminosyresekvensen af ​​klonede målgener, og proteinerne kan udtrykkes i tilstrækkelige mængder til tilvejebringelse af materiale til røntgenkrystallografiske smidges. Virkningen af ​​ændringer forårsaget af den site-rettede mutagenese kunne påvises i form af strukturfunktion. Sådan viden er afgørende for computerstøttede lægemiddeldesignprogrammer.

Dette er et andet område, hvor rDNA-metoder har vist sig at være vellykkede. Tidligere anvendte vaccineudvikling empiriske metoder til at udlede svækkede eller dræbte vacciner for at øge produktets sikkerhed. Rekombinante metoder gør det muligt for forskeren at dissekere genet for det aktive immunogen fra værtsorganismen og indføre det i et mere bekvemt og godartet system til høje ekspressionsniveauer.

Nogle af eksemplerne er:

Insulin:

Det er et vigtigt hormonregulerende glukoseniveau.

Anti-hæmofil faktor:

Det er et vigtigt materiale, der er oprenset fra humant blod og anvendes til behandling af hæmofili. Handling har vist sig vanskeligt på grund af infektion af hæmofilier med aids-virus.

Human Serum Albumin:

Det er et af de mest almindelige blodproteiner, der anvendes til behandling af stødskader, såsom forbrændinger.

Engineered Enzymer:

Disse enzymer bruges til at behandle en række tilstande fra hjertesygdomme til nyresvigt, til visse typer af arvelige enzymmangler.

Der sker løbende fremskridt på området, og nye horisonter omfatter udvikling af enzymer som biosensorer eller bioelektroder til overvågning af mange fysiologiske processer.

Fødevare- og drikkevareindustrien:

xylanaser:

Enzymer er biologiske molekyler til stede i forskellige organismer. Mikroorganismer har vist sig at være en rig kilde til industrielt vigtige enzymer. Et sådant enzym er xylanase. Forskellige typer af xylanaser er blevet identificeret og isoleret ved genetisk manipulation. Disse omfatter fordøjelsesenzymer til naturlige fibre som træ, pulp og cellulose.

Xylanaser spiller en meget positiv rolle i forbedringen af ​​kvaliteten af ​​bagteprodukter. For eksempel er et specifikt xylanaseenzym blevet identificeret og fremstillet af en svampestamme (Aspergillus niger var awamori). Molekylære manipulationer har forbedret produktionsniveauet af disse enzymer med tyve til fyrre gange. Dette enzym (EXLA) blev udviklet af Unilever, og er nu frit tilgængeligt på markedet.

Xylanase- og cellulaseafkog, kaldet Flaxzyme, viste sig at producere en ren fiber, når den anvendes til retning af knaaf Xylanase-producerende gener, er blevet isoleret og indsat i E. coli, som er induceret til chick-feed. Bakterierne producerer xylanase, som nedbryder kornet og gør det muligt for kyllingen at fordøje kornet hurtigere og dermed fremme hurtigere vækst.

En anden undersøgelse blev udført for enzymatisk fremstilling af et nyt plasmaproteinbaseret geldannende materiale til optimering af kødprodukter. TNO-selskabet udviklede et nyt koldt kødbindingssystem kaldet Fibrimex (som er en opløsning af fibrinogen, thrombin og transglutaminase) med friske kødstykker, som igen udgør en forbundsmasse af kød.

emulgatorer:

Acacagummi anvendes overvejende som emulgeringsmiddel i fødevareindustrien på grund af dets emulgerings- og stabiliseringsegenskaber. Ved hjælp af nye molekylære værktøjer syntetiseres emulgatorer nu fra kovalent koblede kulhydrater som stivelse, pektin, sukker og proteiner fra hvede, mælk og sojabønne.

Peanut Allergi Testing:

Mange mennesker har vist sig at vise allergiske reaktioner efter at have spist jordnødder. For at bekæmpe dette problem er det vigtigt at identificere årsagen til denne allergi. Til dette formål er der udviklet et meget følsomt immunologisk assay af et nederlandsk baseret firma for at detektere jordnødderproteiner i fødevarer. Dette er den første peanutanalyse med kommercielle anvendelser.

Effektiv overvågning:

Forskere udvikler alsidige gastrointestinale modeller til detaljeret overvågning af fordøjelighed, biokonversion og bionedbrydelighed af fødevarer og stoffer og forurenende stoffer fra sikkerheden og funktionaliteten. Disse modeller (TIM-TNO - in vitro modeller) bruges nu til at studere fordøjelseseffekten af ​​nutraceutiske fødevarer.

High Intensity Sweetener:

Hoechst udviklede 'Aesulfamek', den højtintensive sødemiddel under navnet Sunett ^TM . Dens effektivitet og toksikologiske sikkerhedstest har etableret dette produkt som et yderst effektivt sødemiddel.

Calciumindtagelse:

En af de vigtigste og nyskabende anvendelser af bioteknologi er at forbedre calciumniveauet i vores levnedsmiddel. Forskere har vist, at oligo-fructose, et naturligt forekommende lavt fordøjeligt oligosaccharid, øger calciumabsorptionen med så meget som toogtyve procent. Sådanne undersøgelser kan åbne floodgates for nye områder af sundhedsanvendelse og nye klasser af ingredienser. Disse resultater kan bruges til at skabe nye produkter inden for mejeri, bageri, konfekt og drikkevarer.

Fødevarer fra mikrober:

Mens brygning og bagning har eksisteret i mange år bruger vi nu genetisk rene stammer i processen. Undersøgelser viser, at næsten 1, 5 millioner tons bagergær {Saccharomyces cervisiae) produceres over hele verden hvert år. Moderne planter har også reduceret den tid, der kræves i fermenteringsprocessen fra måneder til dage. Tilsvarende bruges svampen Aspergillus oryzae til at producere en bred vifte af vigtige enzymer.

Spiselige svampe:

Rang Hons McDougall PLC & ICI (Zeneca) har for nylig opnået Quorn myco-protein fra en filamentøs svamp Fusarium graminecerarum. Quorn er fremstillet af mycelia dyrket i store fermentorer. Det endelige produkt, der opnås, har en kødlignende tekstur og er rapporteret at være den mest grundigt testede fødevare. Det årlige salg af Quorn er på lige fod med 15 millioner pund i Det Forenede Kongerige alene.

Industriprodukter:

Det er for nylig blevet opdaget, at celluloseenzymet kan erstatte pimpstenene, der anvendes i tekstilindustrien, for at fremstille stonewashed denim. Dette vil hjælpe med at modvirke den skade, som pymice sten kan forårsage stoffet. Celluloseenzymet kan også anvendes som et poleringsmiddel, da det fjerner fuzz fra overfladen af ​​cellulosefibre.

Proteaser og hydrolyse er anvendt i vaskemidler og stivelsesforarbejdning. Genetisk manipulation kan skabe enklere molekyler fra disse komplekse, eller omdanne de allerede kendte kemiske strukturer til mere aktive forbindelser.

Sødhedsgraden af ​​majssirup kan for eksempel forøges væsentligt ved kemisk transformation under anvendelse af glucoseisomeriseringsenzymet. Denne udvikling kan have meget store anvendelser inden for farmaceutiske, fødevarer og landbrugsområder.

Mange vigtige industriprodukter er blevet fremstillet af svampe ved anvendelse af fermenteringsteknologien. Svampe, som udskiller specifikke enzymer, kan let nedbryde organiske materialer. Antibiotika er også blevet isoleret fra svampe.

For sent er cyclosporin blevet isoleret fra en svamp Tolypocladium inflatum som en antifungal forbindelse, som viste sig at være et immunosuppressionsmiddel. Dette lægemiddel bruges hovedsagelig til forebyggelse af afvisning af transplantater af humane organer.

Svampeorganismer er også en kilde til biopolymerer som polysaccharider. Disse stammer, når de dyrkes under specifikke betingelser, kan hjælpe med at opnå disse biopolymerer, som er meget nyttige til industrien. Mange svampe producerer et stort antal pigmenter og anvendes således til fremstilling af tekstilfarvestoffer.

Nogle svampepigmenter vides at være anthraquinonderivater, som ligner en vigtig gruppe af Vat farvestoffer. Brugen af ​​disse svampfarvestoffer i tekstilindustrien reducerer problemerne i forbindelse med affaldshåndtering af syntetiske kemikalier.

Bomuldplanter er meget tilbøjelige til insektangreb. For at imødegå dette problem er transgene bomuldsplanter nu blevet udviklet. Disse planter bærer et gen fra bakterierne 'Bacillus thrungiensis', som beskytter planten mod insektangreb.

Forskere forsøger også at udvikle transgene farvede bomuld, som kan erstatte blegning og døende proces. Bioteknologi har også haft indvirkning på animalsk fiberproduktion. Genetiske manipulationer kan forhindre uldskæring i får, hvilket skyldes angreb fra yngellarver.

Flere virksomheder forsøger at udvikle fiberdannende biopolymerer. Et sådant produkt udviklet af Zeneca Bio-produkter er 'Biopol'. Denne kemiske forbindelse, polyhy-droxybutyrat (PHB) er højmolekylær lineær polyester med termoplastiske egenskaber og kan således smeltes og spindes i fibre.

Dens biokompatible og bionedbrydelige natur gør det også yderst nyttigt at lave kirurgiske værktøjer. For eksempel er suturer fremstillet af PHB let nedbrydelige af de enzymer, der er til stede i menneskekroppen. Forsøg er også på at klone sådanne gener og derefter overføre dem til planter. Dette ville muliggøre produktionen af ​​disse forbindelser i meget større mængder og ville efterfølgende nedbringe omkostningerne hertil.

Fordele for tekstilindustrien:

Foruden cellulose, farvestoffer og forbedrede bomuldsplanter omfatter de andre anvendelser af bioteknologi i tekstilindustrien:

1. Anvendelse af forbedrede plantesorter til fremstilling af tekstilfibre og fiberegenskaber.

2. Forbedring af fiber afledt af dyr.

3. Nye fibre fra biopolymerer og genetisk modificerede mikrober.

4. Udskiftning af hårde og energikrævende kemikalier med miljøvenlige enzymer til tekstilbehandling.

5. Udvikling af lavspændingsbaserede vaskemidler.

6. Nye diagnostiske værktøjer til kvalitetskontrol af håndtering af tekstilaffald.

Papirindustri:

Svampe, der forårsager hvidrot, har vist sig at være ganske nyttige til papirindustrien. Arter som 'Phanerochaete chrysosporium' og 'Trametis versicolor' har erstattet nogle af de kemiske trin, der anvendes til papirfremstilling. Dette kan eliminere forureningsfarer forbundet med brugen af ​​kemikalier.

Bioteknologiske styrker er godt på vej til at herald en helt ny industriel revolution. Kraften i denne revolution vil ligge i udnyttelse af levende organismer og anvendelse af molekylære værktøjer som effektive alternativer til konventionelle kemiske baserede råmaterialer. Og hvis de nuværende tendenser er nogen indikation, vil denne nye revolution omdefinere industrien i fremtiden.