Industriell bioteknologi: En introduksjon til industriell bioteknologi og dens applikasjoner

Industriell bioteknologi: En introduksjon til industriell bioteknologi og det er applikasjoner!

Det aller første uttrykket for industrielle anvendelser av bioteknologi ble funnet i produksjon av øl, vin, ost, brød og andre gjærede produkter.

Gjennom årene har slike applikasjoner utvidet til å omfatte et meget bredt spekter av produkter innen mat, kjemisk og farmasøytisk industri. Genetikk og molekylærbiologi har vist seg å være uvurderlig, ikke bare for utvikling av en rekke produkter, men også for innføring av nye og mer effektive bioprosesser.

Bioteknologi og medisin:

Bruken av bioteknologi har åpnet en helt ny verden av muligheter innen medisin. Dette brede spekteret av applikasjoner har igjen gitt stort potensial til medisinområdet. For eksempel, når det gjelder onkogener, har forskjellige "genetiske markører" blitt utviklet for å identifisere maligniteter av bryst, kolon, bronkus, spiserør og prostrate. Mange psykiatriske forstyrrelser som resulterer i feil i minne og avvikende atferd, forstås nå i lys av genundertrykkelse eller aktivering.

Disse inkluderer demens som Alzheimers sykdom og skizofreni (sistnevnte er påført av et enkelt avvikende gen). Bioteknologi har også et stort potensial for fertilitetskontroll. Sikker organtransplantasjon og manipulering av kroppens immunsystem har også blitt gjort mulig. Designer-stoffer er enda en utvikling, som er spesielt skreddersydd for å manipulere hele eller deler av individuelle gener og for å undertrykke eller fremkalle spesifikke handlinger.

Noen av de andre bruksområdene til bioteknologi til medisin er: '

antibiotika:

Produksjon av antibiotika er den mest lønnsomme delen av farmasøytisk industri. Mer enn hundre antibiotika er i bruk og mange fryktede bakteriesykdommer er blitt tatt under kontroll. De viktigste gruppene av antibiotika inkluderer penicillin, tetracyklin, cephalosporin og erytromycin.

Penicillin ble oppdaget av Fleming i 1928, og utviklet av Howard i 1944 fra en sopp som heter Penicillium notatum og senere fra Pchrysogenum. Penicillium produserer den største mengden penicillin når cellene slutter å vokse.

Gisingen av penicillin krever sju til åtte dager for maksimal utbytte. Svampen Cephlosporium brukes til produksjon av cephalosporin C, et antibiotikum som kan drepe selv de bakteriene som blir resistente mot penicillin. Streptomycin ble oppdaget og produsert fra filamentøse mikrobe Streptomyces griseus.

Gener som sådan ikke direkte kode antibiotika. De fleste av dem produseres inne i cellen etter en rekke kjemiske reaksjoner som katalyseres av enzymer. Enzymer er samlet fra instruksjoner av spesifikke gener, og celler kan brukes til å produsere nye antibiotika. Cell fusjon tillater ny generasjon av gener.

Gener som kan instruere cellene til å lage nye antibiotika, kan være til stede i cellen selv, men de kan ikke uttrykkes. Ved å fuse disse cellene, kan disse genegene aktiveres, nye enzymer syntetiseres, og de resulterende mikrober kan produsere nye antibiotika.

antistoffer:

Når det er en invasjon av bakterier, sopp eller virus i kroppen, genererer blod og lymfekjertler antistoffer som en forsvarsmekanisme. Disse antistoffene (eller immunoglobulinene) identifiserer fremmede stoffer (eller antigener), og legger seg til fremmedlegemet. Det er millioner av forskjellige antistoffer i kroppen, og hver har en bestemt struktur. Hvis et antistoff møter et fremmed stoff med samme konfigurasjon, vil de to låse sammen.

Når antigener implanteres til mus, kaniner, geiter eller hester, binder mange B-lymfocytter til antigenet for å produsere en rekke forskjellige immunoglobuliner som antistoffer mot antigenet. Således er de totale antistoffene som genereres mot et bestemt antigen, produsert av mange forskjellige kloner avledet fra forskjellige B-lymfocytter og refereres til som polyklonale. Monoklonale antistoffer produseres fra en klon av celler avledet fra en enkelt B-lymfocyt. Disse identiske antistoffene gjenkjenner nøyaktig det samme antigenet.

Terapeutiske applikasjoner:

Monoklonale antistoffer utviklet mot en bestemt type kreftcelle kan føre til regresjon av svulsten, da kreftcellene blir anerkjent som fremmedlegemer. Monoklonale antistoffer kan utløse en pasients immunforsvar for å begynne å angripe en svulst. Anti-kreft medisiner som er fysiologisk festet til monoklonale antistoffer rettet mot spesifikke kreft antigener kan også leveres direkte mot malignitet.

Autoimmun sykdom:

Denne sykdommen forårsaker en sammenbrudd i kroppens toleranse mot sine egne antigener, da B- og T-cellene reagerer mot deres eget vevsantigener. I revmatisk feber blir kroppen immunisert mot vev i hjertet og leddene etter en infeksjon. Monoklonale antistoffer mot T-celleantigen brukes nå til å studere og behandle mange autoimmune sykdommer.

Forutsigelse av sykdomsrisiko:

Spesielle antigener på celleoverflaten (som de for humane leukocytter) har vært forbundet med den relative risikoen for forekomst av sykdommer som reumatoid artritt. Dermed kan tidlig anerkjennelse av disse antigener ved bruk av monoklonale antistoffer lette passende forebyggende tiltak.

Graviditetstesting:

Etter befruktning og implantering fungerer fosterpasningsenheten som hormon for hormon for endokrine kjertler. Disse inkluderer det humane korioniske gonadotropiske hormonet, som produseres innen tre dager etter unnfangelsen og når et nivå som lett oppdages av monoklonale antistoffer innen syv dager. Utviklet sett brukes til å bekrefte graviditet så tidlig som ellevte dagen etter unnfangelsen.

Utvikling av rekombinante proteiner for medisinsk og terapeutisk bruk:

Ulike ekspresjonssystemer brukes til å uttrykke de rekombinante proteiner. Disse ekspresjonssystemene kan være av gjær, bakterier, insekt eller en viral opprinnelse. Prokaryote ekspresjonsvektorer gir et hensiktsmessig system for å syntetisere eukaryote proteiner, men proteiner kan mangle mange av de immunogene egenskapene, 3D-konformasjon og andre funksjoner som utvises av normale eukaryote proteiner.

Eukaryote ekspresjonssystemer, inkludert pattedyr, amfibier, plante, insekt og gjær overvinne mange av disse begrensningene. Mammalcelleekspresjonssystem utgjør vanskeligheter med å rense rekombinante proteiner innbefattende begrensninger på størrelsen på det rekombinante protein uttrykt og mekanismen for proteinekspresjonsinduksjon. Mange av disse begrensningene kan overvinnes ved bruk av uttrykkssystemer fra insekt- og gjærceller.

Insulin, interferon, vaksiner, blodproteiner og vekstfaktorer er blant de mange stoffene som produseres ved hjelp av genetisk utviklede mikrober. Geneteknikk eller rekombinant DNA-teknologi eller genetisk manipulasjon har gjort det mulig å overføre gener fra en organisme til en annen, noe som inducerer celler til å produsere både billig og i store mengder, materialene som ikke normalt ville produseres.

Produksjonen av stoffer ved genetisk manipulering innebærer innføring av genet som koder for proteinet (produktet) som skal fremstilles i en mikrobe, som er i stand til å syntetisere produktet. Det dannede produkt kan deretter oppsamles.

Med advent av bioteknologi har mange viktige biomedisinske stoffer blitt generert og vellykket anvendt. For eksempel har originale penicillin G (benzylpenicillin) et relativt smalt spekter av aktivitet mot mikroorganismer og kan ikke gis oralt.

Medlemmer av halvsyntetisk penisillin er nå produsert ved fjerning og eller substitusjon av sidekjeden på forskjellige steder i molekylet ved kjemisk eller biologisk prosess. Penicillin er forskjellig fra benzylpenisillin. Den har en ekstra aminogruppe på sidekjeden som bekrefter et bredere antibakterielt område og kan gis muntlig. Enzymet som brukes til å spalte sidekjeden er penicillinacylase, som er avledet fra flere mikrober, inkludert E. coli og Aspergillus repins.

Nye legemiddelmål og vaksineutvikling:

Mange potensielle legemiddelmål har allerede blitt identifisert. Disse inkluderer viktige metabolske enzymer, vekstfaktorer, hormoner, transmitterstoffer, onkogenprodukter, neuropeptider og forskjellige reseptorproteiner. Kraften til rDNA-teknologien kan rettes mot disse målene for å fullt ut karakterisere dem.

DNA analyse kan brukes til å forutsi aminosyresekvensen av klonede målgener, og proteiner kan uttrykkes i tilstrekkelige mengder for å gi materiale til røntgenkrystallografiske smidges. Effekten av forandringer forårsaket av stedet-rettet mutagenese kunne demonstreres i form av strukturfunksjon. Slike kunnskaper er avgjørende for datamaskinstøttede legemiddelutformingsprogrammer.

Dette er et annet område hvor rDNA-metoder har vist seg vellykket. Tidligere har vaksinutvikling brukt empiriske metoder for å utlede døde eller døde vaksiner for å øke sikkerheten til produktene. Rekombinante metoder gjør det mulig for forskeren å dissekere genet for det aktive immunogenet fra vertsorganismen og å introdusere det til et mer hensiktsmessig og godartet system for høye ekspresjonsnivåer.

Noen eksempler er:

Insulin:

Det er et viktig hormon som regulerer glukose nivåer.

Anti-hemofil faktor:

Det er et viktig materiale renset fra humant blod, og brukes til behandling av hemofili. Tiltak har vist seg vanskelig på grunn av infeksjon av hemofili med AIDS-virus.

Human Serum Albumin:

Det er et av de vanligste blodproteinene som brukes til behandling av sjokkskader, for eksempel brannskader.

Konstruert Enzymer:

Disse enzymene brukes til å behandle en rekke forhold fra hjertesykdommer til nyresvikt, til visse typer arvelige enzymmangler.

Det skjer kontinuerlig fremskritt i feltet, og nye horisonter inkluderer utvikling av enzymer som biosensorer eller bioelektroder for å overvåke mange fysiologiske prosesser.

Mat og drikkeindustri:

xylanaser:

Enzymer er biologiske molekyler tilstede i forskjellige organismer. Mikroorganismer har vist seg å være en rik kilde til industrielt viktige enzymer. Et slikt enzym er xylanase. Ulike typer xylanaser er identifisert og isolert ved genetisk manipulering. Disse inkluderer fordøyelsesenzymer for naturlige fibre som tre, cellulose og cellulose.

Xylanaser spiller en svært positiv rolle i å forbedre kvaliteten på bakt produkter. For eksempel er et spesifikt xylanaseenzym blitt identifisert og produsert fra en soppstamme (Aspergillus niger var awamori). Molekylære manipulasjoner har økt produksjonsnivået av disse enzymene med tjue til førti ganger. Dette enzymet (EXLA) ble utviklet av Unilever, og er nå tilgjengelig fritt i markedet.

Xylanase- og cellulase-avkok, kalt Flaxzyme, ble funnet å produsere en ren fiber når den brukes til å rette ut knave Xylanase-produserende gener, er blitt isolert og satt inn i E. coli, som innføres i kylling. Bakteriene produserer xylanase, som bryter ned kornet og gjør det mulig for kyllingen å fordøye kornet raskere, og dermed fremme raskere vekst.

En annen studie ble utført for å enzymatisk produsere et nytt plasmaproteinbasert geldannende materiale for optimalisering av kjøttprodukter. TNO-selskapet utviklet et nytt kaldt kjøttbindingssystem kalt Fibrimex (som er en løsning av fibrinogen, trombin og transglutaminase) med ferske kjøttbiter, som igjen danner en forbudsmasse av kjøtt.

emulgatorer:

Acacia gummi brukes hovedsakelig som et emulgeringsmiddel i næringsmiddelindustrien på grunn av dets emulgerings- og stabiliseringsegenskaper. Ved hjelp av nye molekylære verktøy syntetiseres emulgatorer nå fra kovalent koblede karbohydrater som stivelse, pektin, sukker og proteiner fra hvete, melk og soya.

Peanut Allergi Testing:

Mange har blitt funnet å vise allergiske reaksjoner etter å ha spist peanøtter. For å bekjempe dette problemet er det viktig å identifisere årsaken til denne allergien. Til dette formål har en svært sensitiv immunologisk analyse blitt utviklet av et nederlandsk basert selskap for å oppdage peanutproteiner i matvarer. Dette er den første peanutanalysen med kommersielle applikasjoner.

Effektiv overvåking:

Forskere utvikler allsidige gastrointestinale modeller for detaljert overvåking av fordøyelighet, biokonversjon og biologisk nedbrytbarhet av mat og stoffer og forurensninger fra sikkerhets- og funksjonalitetspunktet. Disse modellene (TIM-TNO - in vitro-modeller) brukes nå til å studere fordøyelseskraften av næringsmatige matvarer.

High Intensity Sweetener:

Hoechst utviklet 'Aesulfamek', høyintensitetssøtningsmiddel under navnet Sunett ^TM . Dens effektivitet og toksikologiske sikkerhetstest har etablert dette produktet som et ekstremt effektivt søtningsmiddel.

Kalsiuminntak:

En av de viktigste og nyskapende anvendelsene av bioteknologi er å forbedre kalsiumnivået i maten. Forskere har vist at oligo-fruktose, et naturlig forekommende lavmeltbart oligosakkarid, øker kalsiumabsorpsjonen med så mye som tjuefem prosent. Slike studier kan åpne flomgater for nye områder av helseapplikasjon og nye klasser av ingredienser. Disse funnene kan brukes til å skape nye produkter innen meieri, bakeri, konditori og drikke.

Matvarer fra mikrober:

Mens brygging og baking har eksistert i årevis, bruker vi nå genetisk rene stammer i prosessen. Studier viser at nesten 1, 5 millioner tonn bakersgær {Saccharomyces cervisiae) produseres over hele verden hvert år. Moderne planter har også redusert tiden som kreves i fermenteringsprosessen fra måneder til dager. På samme måte blir sopp Aspergillus oryzae brukt til å produsere et bredt spekter av viktige enzymer.

Spiselige sopp:

Rang Hons McDougall PLC og ICI (Zeneca) har nylig fått Quorn myco-protein fra en filamentøs sopp Fusarium graminecerarum. Quorn er hentet fra mycelia dyrket i store fermentorer. Det endelige produktet som er oppnådd, har en kjøttaktig tekstur, og rapporteres å være den mest grundig testede maten. Det årlige omsetningen av Quorn er på 15 millioner pounds i Storbritannia alene.

Industrielle produkter:

Det har nylig blitt oppdaget at celluloseenzymet kan erstatte pimpsteinene som brukes i tekstilindustrien for å produsere stonewashed denim. Dette vil bidra til å motvirke skaden som pymice steinen kan forårsake for stoffet. Cellulose-enzymet kan også brukes som et biologisk poleringsmiddel, da det fjerner fuzz fra overflaten av cellulosefibre.

Proteaser og hydrolyse er brukt i henholdsvis vaskemiddel og stivelse. Genetisk manipulasjon kan skape enklere molekyler fra disse komplekse, eller transformere de allerede kjente kjemiske strukturer til mer aktive forbindelser.

For eksempel kan søtsinnet av mais sirup økes vesentlig ved kjemisk transformasjon ved bruk av glukoseisomeriserende enzym. Disse utviklingene kan ha svært store bruksområder innen farmasøytiske, mat og landbruksområder.

Mange viktige industriprodukter er produsert fra sopp som bruker gjæringsteknologien. Svampe, som utskiller bestemte enzymer, kan lett bryte ned organiske materialer. Antibiotika har også blitt isolert fra sopp.

For sent, er syklosporin blitt isolert fra en sopp Tolypocladium inflatum som en antifungal sammensetning, som viste seg å være et immunosuppressivt middel. Dette stoffet brukes hovedsakelig for å forhindre avvisning av transplantasjoner av humane organer.

Fungal organismer er også en kilde til biopolymerer som polysakkarider. Disse stammer, når de vokser under spesifikke betingelser, kan bidra til å skaffe disse biopolymerene, som er meget nyttige for industrien. Mange sopp produserer et stort antall pigmenter, og brukes dermed til å produsere tekstilfarger.

Noen sopppigmenter er kjent for å være antrakinonderivater, som ligner en viktig gruppe av Vat farvestoffer. Bruken av disse soppfarger i tekstilindustrien reduserer problemene knyttet til avfallshåndtering av syntetiske kjemikalier.

Bomullplanter er svært utsatt for insektangrep. For å imøtekomme dette problemet har transgene bomullsplanter blitt utviklet. Disse plantene bærer et gen fra bakteriene 'Bacillus thrungiensis', som beskytter planten mot insektangrep.

Forskere prøver også å utvikle transgene fargede bomuller, som kan erstatte bleking og døende prosess. Bioteknologi har også påvirket dyrefibreproduksjonen. Genetiske manipulasjoner kan forhindre ullskjæring i får, noe som skyldes angrep fra yngellarver.

Flere selskaper prøver å utvikle fiberdannende biopolymerer. Et slikt produkt utviklet av Zeneca Bio-produkter er "Biopol". Denne kjemiske forbindelsen, polyhydroksybutyrat (PHB), er lineær polyester med høy molekylvekt med termoplastiske egenskaper, og kan således smeltes og spinnes i fibre.

Den biokompatible og biologisk nedbrytbare naturen gjør det også svært nyttig for å lage kirurgiske verktøy. For eksempel er suturer laget av PHB lett nedbrytbare av enzymer tilstede i menneskekroppen. Forsøk er også på å klone slike gener, og deretter overføre dem til planter. Dette ville muliggjøre produksjonen av disse forbindelsene i mye større mengder, og vil deretter redusere kostnadene dessuten.

Fordeler for tekstilindustrien:

Foruten cellulose, fargestoffer og forbedrede bomullsplanter, omfatter de andre bruksområdene til bioteknologi i tekstilindustrien:

1. Bruk av forbedrede plantesorter for produksjon av tekstilfibre og fiberegenskaper.

2. Forbedring av fiber fra dyr.

3. Nye fibre fra biopolymerer og genetisk modifiserte mikrober.

4. Bytte ut sterke og energikrevende kjemikalier av miljøvennlige enzymer for tekstilbehandling.

5. Utvikling av lavspenningsbaserte vaskemidler.

6. Nye diagnostiske verktøy for kvalitetskontroll av tekstilavfallshåndtering.

Papirindustri:

Svampe som forårsaker hvitt rot har vist seg å være ganske nyttige for papirindustrien. Arter som "Phanerochaete chrysosporium" og "Trametis versicolor" har erstattet noen av de kjemiske trinnene som brukes i papirfremstilling. Dette kan eliminere forurensningsfarer forbundet med bruk av kjemikalier.

Bioteknologiske styrker er godt på vei for å heraldisere en helt ny industriell revolusjon. Kraften til denne revolusjonen vil ligge i utnyttelse av levende organismer, og bruk av molekylære verktøy som effektive alternativer for konvensjonelle kjemiske baserte råvarer. Og hvis nåværende trender er noen indikasjon, vil denne nye revolusjonen omdefinere industrien i fremtiden.