Industriell bioteknik: En introduktion till industriell bioteknik och dess applikationer

Industriell bioteknik: En introduktion till industriell bioteknik och dess applikationer!

Det första uttrycket för industriella tillämpningar av bioteknik hittades i produktionen av öl, vin, ost, bröd och andra fermenterade produkter.

Under åren har sådana applikationer utvidgats till att omfatta ett mycket brett utbud av produkter inom livsmedels-, kemi- och läkemedelsindustrin. Geneteknik och molekylärbiologi har visat sig vara ovärderlig inte bara för utvecklingen av en mängd produkter utan också för att introducera nya och effektivare bioprocesser.

Bioteknik och medicin:

Användningen av bioteknik har öppnat en helt ny värld av möjligheter inom medicinområdet. Det här brett utbudet av applikationer har i sin tur ökat potentialen inom medicinområdet. Till exempel, när det gäller onkogener har olika "genetiska markörer" utvecklats för att identifiera maligniteter hos bröstet, tjocktarmen, bronchus, matstrupe och prostrate. Många psykiatriska störningar som resulterar i misslyckande av minne och avvikande beteende förstås nu i ljuset av genundertryckande eller aktivering.

Dessa inkluderar demens som Alzheimers sjukdom och schizofreni (den senare uppkommer av en enda avvikande gen). Bioteknik har också en enorm potential för fertilitetskontroll. Säker organtransplantation och manipulation av kroppens immunförsvar har också möjliggjorts. Designerdroger är ännu en utveckling, som är skräddarsydd för att manipulera hela eller delar av enskilda gener och att undertrycka eller inducera specifika handlingar.

Några av de andra tillämpningarna av bioteknik till medicin är: "

antibiotika:

Tillverkning av antibiotika är den mest lönsamma delen av läkemedelsindustrin. Fler än hundra antibiotika används för närvarande och många fruktade bakteriesjukdomar har kommit under kontroll. De viktigaste grupperna av antibiotika innefattar penicillin, tetracyklin, cefalosporin och erytromycin.

Penicillin upptäcktes av Fleming 1928 och utvecklades av Howard 1944 från en svamp med namnet Penicillium notatum och senare från Pchrysogenum. Penicillium producerar den största kvantiteten penicillin när cellerna slutar växa.

Fermenteringen av penicillin kräver sju till åtta dagar för maximalt utbyte. Svampen Cephlosporium används för att tillverka Cephalosporin C, ett antibiotikum som kan döda även de bakterier som blir resistenta mot penicillin. Streptomycin upptäcktes och producerades från den trådformiga mikroben Streptomyces griseus.

Gener som sådan kodar inte direkt antibiotika. De flesta av dem produceras inuti cellen efter en sekvens av kemiska reaktioner som katalyseras av enzymer. Enzymerna är sammansatta från instruktioner av specifika gener, och celler kan användas för att producera nya antibiotika. Cellfusion medger att en ny kombination av gener genereras.

Gener som kan instruera cellerna att skapa nya antibiotika kan vara närvarande i själva cellen, men de kan inte uttryckas. Genom att fusera dessa celler kan dessa geneger aktiveras, nya enzymer syntetiseras och de resulterande mikroberna kan framställa nya antibiotika.

antikroppar:

När det finns en invasion av bakterier, svampar eller virus i kroppen, genererar blod och lymfkörtlar antikroppar som en försvarsmekanism. Dessa antikroppar (eller immunoglobulin s) identifierar de främmande substanserna (eller antigenerna) och fäster sig fast vid det främmande materialet. Det finns miljontals olika typer av antikroppar i kroppen, och var och en har en särskild struktur. Om en antikropp möter ett främmande ämne med samma konfiguration, kommer de två att låsa ihop.

När antigener implanteras i möss, kaniner, getter eller hästar binder många B-lymfocyter till antigenet för att producera ett område av olika immunoglobuliner som antikroppar mot antigenet. Således har de totala antikropparna som genererats mot ett visst antigen framställts av många olika kloner härledda från olika B-lymfocyter och benämns polyklonala. Monoklonala antikroppar produceras från en klon av celler härledda från en enda B-lymfocyt. Dessa identiska antikroppar känner igen exakt samma antigen.

Terapeutiska tillämpningar:

Monoklonala antikroppar utvecklade mot en viss typ av cancercell kan leda till tumörens regression, eftersom cancercellerna känns igen som alien till kroppen. Monoklonala antikroppar kan utlösa en patients immunsystem för att börja attackera en tumör. Anti-cancermedicin som är fysiologiskt bundna till monoklonala antikroppar riktade mot specifika cancerantigener kan också levereras direkt mot malignitet.

Autoimmun sjukdom:

Denna sjukdom orsakar en uppdelning i kroppens tolerans mot sina egna antigener, eftersom B- och T-cellerna reagerar mot sina egna vävnadsantigener. I reumatisk feber immuniseras kroppen mot vävnader i hjärtat och leder efter en infektion. Monoklonala antikroppar mot T-cellantigen används nu för att studera och behandla många autoimmuna sjukdomar.

Förutsägelse av sjukdomsrisk:

Särskilda antigener på cellytan (som de hos humana leukocyter) har förknippats med den relativa risken för förekomsten av sjukdomar som reumatoid artrit. Således kan tidigt erkännande av dessa antigener med användning av monoklonala antikroppar underlätta lämpliga förebyggande åtgärder.

Graviditetstestning:

Efter befruktning och implantering fungerar fostrets placenta som hormon som producerar hormon för hormon. Dessa inkluderar det humana korioniska gonadotropa hormonet, som produceras inom tre dagar efter uppfattningen och når en nivå som lätt kan detekteras av monoklonala antikroppar inom sju dagar. Utvecklade kit används för att bekräfta graviditet så tidigt som elfte dagen från uppfattningen.

Utveckling av rekombinanta proteiner för medicinsk och terapeutisk användning:

Olika expressionssystem används för att uttrycka de rekombinanta proteinerna. Dessa expressionssystem kan vara av jäst, bakterier, insekter eller ett viralt ursprung. Prokaryota expressionsvektorer tillhandahåller ett lämpligt system för att syntetisera eukaryota proteiner, men proteinerna kan sakna många av de immunogena egenskaperna, 3D-konformation och andra egenskaper som uppvisas av normala eukaryota proteiner.

Eukaryota expressionssystem inklusive däggdjurs-, amfibian, växt, insekt och jäst övervinna många av dessa begränsningar. Mammaliska celluttryckssystem medför svårighet att rena rekombinanta proteiner inkluderande begränsningar på storleken av det rekombinanta proteinet uttryckt och mekanismen för proteinuttryckningsinduktion. Många av dessa begränsningar kan övervinnas med hjälp av expressionssystem från insekts- och jästceller.

Insulin, interferon, vacciner, blodproteiner och tillväxtfaktorer är bland de många ämnen som tillverkas med hjälp av genetiskt modifierade mikrober. Geneteknik eller rekombinant DNA-teknik eller genetisk manipulation har gjort det möjligt att överföra gener från en organism till en annan, vilket inducerar celler för att tillverka både billigt och i stora mängder de material som normalt inte skulle produceras.

Produktionen av substanser genom genetisk manipulation innefattar införande av genen som kodar för proteinet (produkten) som ska tillverkas i en mikrobe, som kan syntetisera produkten. Den bildade produkten kan därefter uppsamlas.

Med bioteknikens framkomst har många väsentliga biomedicinska ämnen genererats och framgångsrikt tillämpats. Till exempel har original penicillin G (bensylpenicillin) ett relativt smalt spektrum av aktivitet mot mikroorganismer och kan inte ges oralt.

Medlemmar av halvsyntetisk penicillin s produceras nu genom avlägsnande och eller substitution av sidokedja vid olika ställen i molekylen genom kemisk eller biologisk process. Penicillin skiljer sig från bensylpenicillin. Den har en ytterligare aminogrupp på sidokedjan som bekräftar ett bredare antibakteriellt område och kan ges oralt. Det enzym som används för att klyva sidokedjan är penicillinacylas, vilket härrör från flera mikrober inklusive E. coli och Aspergillus repins.

Nya läkemedelsmål och vaccinutveckling:

Många potentiella läkemedelsmål har redan identifierats. Dessa inkluderar viktiga metaboliska enzymer, tillväxtfaktorer, hormoner, sändarämnen, onkogenprodukter, neuropeptider och olika receptorproteiner. Effekten av rDNA-tekniken kan riktas mot dessa mål för att fullt ut karakterisera dem.

DNA-analys kan användas för att förutsäga aminosyrasekvensen av klonade målgener, och proteinerna kan uttryckas i tillräckliga mängder för att tillhandahålla material för röntgenkristallografiska smidder. Effekten av förändringar som åstadkommes av den site-riktade mutagenesen kan demonstreras i termer av strukturfunktion. Sådan kunskap är väsentlig för datorstödda läkemedelsdesignprogram.

Detta är ett annat område där rDNA-metoder har visat sig lyckas. Tidigare använde vaccinutveckling empiriska metoder för att härleda dämpade eller dödade vacciner för att öka säkerheten för produkterna. Rekombinanta metoder gör det möjligt för forskaren att dissekera genen för det aktiva immunogenet från värdorganismen och för att introducera det i ett mer bekvämt och godartat system för höga expressionsnivåer.

Några av exemplen är:

Insulin:

Det är ett viktigt hormonreglerande glukosnivå.

Anti-hemofil faktor:

Det är ett viktigt material som är renat från humant blod och används vid behandling av hemofili. Åtgärd har visat sig svårt på grund av infektion av hemofilier med AIDS-virus.

Human Serum Albumin:

Det är ett av de vanligaste blodproteinerna som används vid behandling av chockskador som brännskador.

Konstruerade enzymer:

Dessa enzymer används för att behandla en rad tillstånd från hjärtsjukdomar till njursvikt, vissa typer av ärftliga enzymbrister.

Snabba framsteg görs kontinuerligt inom fältet och nya horisonter innefattar utveckling av enzymer som biosensorer eller bioelektroder för att övervaka många fysiologiska processer.

Mat och dryck Industri:

xylanaser:

Enzymer är biologiska molekyler närvarande i olika organismer. Mikroorganismer har visat sig vara en rik källa till industriellt viktiga enzymer. Ett sådant enzym är xylanas. Olika typer av xylanaser har identifierats och isolerats genom genetisk manipulation. Dessa inkluderar matsmältningsenzymer för naturfibrer som trä, massa och cellulosa.

Xylanaser spelar en mycket positiv roll för att förbättra kvaliteten på bakade produkter. Till exempel har ett specifikt xylanasenzym identifierats och producerats från en svampstam (Aspergillus niger var awamori). Molekylära manipuleringar har förbättrat produktionen av dessa enzymer med tjugo till fyrtio gånger. Detta enzym (EXLA) har utvecklats av Unilever, och är nu tillgängligt fritt på marknaden.

Xylanas- och cellulasavkokning, kallad Flaxzyme, befanns producera en ren fiber när den användes för retting av knaaf Xylanasproducerande gener har isolerats och införts i E. coli, vilken induceras i chick-feed. Bakterierna producerar xylanas, som bryter ner spannmålen och låter kycklingen smälta kornet snabbare och därmed främja snabbare tillväxt.

En annan studie utfördes för att enzymatiskt producera ett nytt plasmaproteinbaserat gelbildande material för optimering av köttprodukter. TNO-bolaget utvecklade ett nytt kallköttbindningssystem som heter Fibrimex (som är en lösning av fibrinogen, trombin och transglutaminas) med färska köttstycken, som i sin tur bildar en förbundsmassa av kött.

emulgeringsmedel:

Acacagummi används huvudsakligen som ett emulgeringsmedel i livsmedelsindustrin på grund av dess emulgerings- och stabiliseringsegenskaper. Genom att använda nya molekylära verktyg syntetiseras emulgatorer nu från kovalent kopplade kolhydrater som stärkelse, pektin, socker och proteiner från vete, mjölk och sojabönor.

Test av jordnötsallergi:

Många har visat sig visa allergiska reaktioner efter att ha ätit jordnötter. För att bekämpa detta problem är det viktigt att identifiera orsaken till denna allergi. För detta ändamål har en högkänslig immunologisk analys utvecklats av ett nederlandsk baserat företag för att detektera jordnötsproteiner i livsmedel. Detta är den första jordnötsanalysen med kommersiella applikationer.

Effektiv övervakning:

Forskare utvecklar mångsidiga gastrointestinala modeller för detaljerad övervakning av smältbarhet, biokonvertering och biologisk nedbrytbarhet av livsmedel och droger och föroreningar från säkerhets- och funktionalitetspunkten. Dessa modeller (TIM-TNO - in vitro-modeller) används nu för att studera matsmältnings effekten av nutraceutical mat.

High Intensity Sweetener:

Hoechst utvecklade "Aesulfamek", högintensitetssötningsmedlet under namnet Sunett ^TM . Dess effektivitet och toxicologiska säkerhetsprovning har etablerat denna produkt som ett extremt effektivt sötningsmedel.

Kalciumintag:

En av de viktigaste och nyskapande tillämpningarna av bioteknik är att förbättra kalciumnivån i vårt livsmedel. Forskare har visat att oligo-fruktos, en naturligt förekommande lågmältbar oligosackarid, ökar kalciumabsorptionen med upp till tjugo två procent. Sådana studier kan öppna floodgates för nya områden av hälsoprogram och nya klasser av ingredienser. Dessa resultat kan användas för att skapa nya produkter inom mejeri, bageri, konfekt och drycker.

Livsmedel från mikrober:

Medan bryggning och bakning har funnits i åratal använder vi nu genetiskt rena stammar i processen. Studier visar att nästan 1, 5 miljoner ton bakersjäst {Saccharomyces cervisiae) produceras över hela världen varje år. Moderna växter har också minskat den tid som krävs i jäsningsprocessen från månader till dagar. På samma sätt används svampen Aspergillus oryzae för att producera ett brett spektrum av viktiga enzymer.

Ätbara svampar:

Rank Hons McDougall PLC & ICI (Zeneca) har nyligen erhållit Quorn myco-protein från en filamentös svamp Fusarium graminecerarum. Quorn erhålls från mycelia odlas i stora fermentorer. Den slutliga produkten som erhålls har en köttliknande konsistens och rapporteras vara den mest grundligt testade maten. Den årliga försäljningen av Quorn är på samma sätt som 15 miljoner pund i Förenade kungariket.

Industriprodukter:

Det har nyligen upptäckts att cellulosenzymet kan ersätta pimpstenarna som används i textilindustrin för att producera stonewashed denim. Detta kommer att hjälpa till att motverka den skada som pymice sten kan orsaka till tyget. Cellulosaenzymet kan också användas som ett poleringsmedel, eftersom det tar bort fuzz från ytan av cellulosafibrer.

Proteaser och hydrolys s används i tvättmedel och stärkelse. Genetisk manipulation kan skapa enklare molekyler från dessa komplexa eller omvandla de kända kemiska strukturerna till mer aktiva föreningar.

Till exempel kan majssirupens sötma väsentligt ökas genom kemisk transformation med användning av glukosisomeriseringsenzymet. Denna utveckling kan ha mycket stora tillämpningar inom läkemedels-, livsmedels- och jordbruksområdet.

Många viktiga industriprodukter har producerats från svampar med användning av fermentationstekniken. Svampar, som utsöndrar specifika enzymer, kan lätt bryta ner organiska material. Antibiotika har också isolerats från svampar.

Senast har cyklosporin isolerats från en svamp Tolypocladium inflatum som en anti-svampförening, som visade sig vara ett immunundertryckande medel. Detta läkemedel används mest för att förhindra avstötning av transplantationer av mänskliga organ.

Svamporganismer är också en källa till biopolymerer som polysackarider. Dessa stammar, när de odlas under specifika betingelser, kan bidra till att erhålla dessa biopolymerer, vilka är mycket användbara för industrin. Många svampar producerar ett stort antal pigment, och används sålunda för att producera textilfärger.

Vissa svamppigment är kända för att vara antrakinonderivat, som liknar en viktig grupp av Vat-färgämnen. Användningen av dessa svampfärger i textilindustrin minskar problemen i samband med bortskaffandet av syntetiska kemikalier.

Bomullsplantor är mycket benägna att bekämpa insekter. För att motverka detta problem har transgena bomullsplantor nu utvecklats. Dessa växter bär en gen från bakterierna "Bacillus thrungiensis", som skyddar växten från insektsangrepp.

Forskare försöker också att utveckla transgena färgade bomullar, vilket kan ersätta bleknings- och döende processen. Bioteknik har också haft en inverkan på djurfiberproduktionen. Genetiska manipuleringar kan förhindra ullskärning i får, vilket orsakas på grund av angrepp från yngellarver.

Flera företag försöker utveckla fiberbildande biopolymerer. En sådan produkt som utvecklas av Zeneca Bio-produkter är "Biopol". Denna kemiska förening, polyhydroxibutyrat (PHB), är linjär polyester med hög molekylvikt med termoplastiska egenskaper och kan sålunda smältas och spunnas i fibrer.

Dess biokompatibla och biologiskt nedbrytbara natur gör det också extremt användbart för att göra kirurgiska verktyg. Suturer som tillverkas från PHB är exempelvis lätt nedbrytbara av de enzymer som finns i människokroppen. Försök är också på att klona sådana gener och därefter överföra dem till växter. Detta skulle möjliggöra framställning av dessa föreningar i mycket större mängder, och skulle därefter sänka dess kostnad.

Fördelar för textilindustrin:

Förutom cellulosa, färgämnen och förbättrade bomullsplanter innefattar de andra tillämpningarna av bioteknik i textilindustrin:

1. Användning av förbättrade växtsorter för produktion av textilfibrer och fiberegenskaper.

2. Förbättring av fiber som härrör från djur.

3. Nya fibrer från biopolymerer och genetiskt modifierade mikrober.

4. Byta ut hårda och energikrävande kemikalier genom miljövänliga enzymer för textilbehandling.

5. Utveckling av tvättmedel med låg energi.

6. Nya diagnostiska verktyg för kvalitetskontroll av hantering av textilavfall.

Pappersindustri:

Svampar som orsakar vitrot har visat sig vara ganska användbara för pappersindustrin. Arter som "Phanerochaete chrysosporium" och "Trametis versicolor" har ersatt några av de kemiska stegen som används vid papperstillverkning. Detta kan eliminera de risker föroreningar som är förknippade med användningen av kemikalier.

De biotekniska krafterna är väl på väg till en helt ny industriell revolution. Kraften i denna revolution kommer att ligga i att utnyttja levande organismer och använda molekylära verktyg som effektiva alternativ för konventionella kemiska baserade råmaterial. Och om nuvarande trender är någon indikation, kommer den här revolutionen att omdefiniera industrin i framtiden.