Biotecnologie industriali: un'introduzione alla biotecnologia industriale e alle sue applicazioni

Biotecnologie industriali: un'introduzione alla biotecnologia industriale e alle sue applicazioni!

La prima espressione delle applicazioni industriali della biotecnologia è stata riscontrata nella produzione di birra, vino, formaggio, pane e altri prodotti fermentati.

Nel corso degli anni, tali applicazioni si sono ampliate fino a includere una gamma molto ampia di prodotti nei settori alimentare, chimico e farmaceutico. L'ingegneria genetica e la biologia molecolare si sono rivelate preziose non solo per lo sviluppo di una serie di prodotti, ma anche per l'introduzione di nuovi e più efficaci bioprocessi.

Biotecnologie e Medicina:

L'uso della biotecnologia ha aperto un nuovo mondo di possibilità nel campo della medicina. Questa vasta gamma di applicazioni ha a sua volta aggiunto un enorme potenziale nel campo della medicina. Ad esempio, nel caso degli oncogeni, sono stati sviluppati vari "marcatori genetici" per identificare tumori maligni di mammella, colon, bronchi, esofago e prostrato. Molti disturbi psichiatrici che provocano il fallimento della memoria e comportamenti aberranti vengono ora compresi alla luce della soppressione o attivazione genica.

Questi includono la demenza come il morbo di Alzheimer e la schizofrenia (quest'ultima è sostenuta da un singolo gene aberrante). La biotecnologia ha anche un enorme potenziale per il controllo della fertilità. E 'stato reso possibile anche il trapianto di organi e la manipolazione del sistema immunitario del corpo. I farmaci di marca rappresentano un altro sviluppo, specificamente concepito per manipolare intere o parti di singoli geni e per sopprimere o indurre azioni specifiche.

Alcune delle altre applicazioni della biotecnologia alla medicina sono:

antibiotici:

La produzione di antibiotici è la parte più redditizia dell'industria farmaceutica. Più di un centinaio di antibiotici sono attualmente in uso e molte malattie batteriche temute sono state messe sotto controllo. I principali gruppi di antibiotici comprendono penicillina, tetraciclina, cefalosporina ed eritromicina.

La penicillina fu scoperta da Fleming nel 1928 e sviluppata da Howard nel 1944 da un fungo chiamato Penicillium notatum e successivamente da Pchrysogenum. Il penicillium produce la più grande quantità di penicillina quando le cellule smettono di crescere.

La fermentazione della penicillina richiede da sette a otto giorni per la massima resa. Il fungo Cephlosporium viene utilizzato per la produzione di cefalosporina C, un antibiotico che può uccidere anche quei batteri, che diventano resistenti alla penicillina. La streptomicina è stata scoperta e prodotta dal microbo filamentoso Streptomyces griseus.

I geni in quanto tali non codificano direttamente gli antibiotici. La maggior parte di questi sono prodotti all'interno della cellula seguendo una sequenza di reazioni chimiche catalizzate dagli enzimi. Gli enzimi sono assemblati da istruzioni di specifici geni e le cellule potrebbero essere utilizzate per produrre nuovi antibiotici. La fusione cellulare consente di generare una nuova combinazione di geni.

I geni che possono istruire le cellule a produrre nuovi antibiotici possono essere presenti nella cellula stessa, ma non possono essere espressi. Fondendo queste cellule, questi geneg possono essere attivati, nuovi enzimi sintetizzati e i microbi risultanti possono produrre nuovi antibiotici.

anticorpi:

Ogni volta che c'è un'invasione di batteri, funghi o virus nel corpo, il sangue e le ghiandole linfatiche generano anticorpi come meccanismo di difesa. Questi anticorpi (o immunoglobuline) identificano le sostanze estranee (o antigeni) e si attaccano al materiale alieno. Ci sono milioni di diversi tipi di anticorpi nel corpo e ognuno ha una struttura particolare. Se un anticorpo incontra una sostanza estranea con la stessa configurazione, i due si bloccheranno insieme.

Quando gli antigeni vengono impiantati in topi, conigli, capre o cavalli, molti linfociti B si legano all'antigene per produrre una gamma di immunoglobuline diverse come anticorpi contro l'antigene. Quindi gli anticorpi totali generati verso un particolare antigene sono stati prodotti da molti cloni diversi derivati ​​da diversi linfociti B e sono indicati come policlonali. Gli anticorpi monoclonali sono prodotti da un clone di cellule derivate da un singolo linfocita B. Questi identici anticorpi riconoscono esattamente lo stesso antigene.

Applicazioni terapeutiche:

Gli anticorpi monoclonali sviluppati contro un particolare tipo di cellula cancerosa possono portare alla regressione del tumore, in quanto le cellule cancerose sono riconosciute come estranee al corpo. Gli anticorpi monoclonali possono scatenare il sistema immunitario di un paziente per iniziare ad attaccare un tumore. I farmaci antitumorali che sono fisiologicamente associati agli anticorpi monoclonali diretti contro specifici antigeni cancerogeni possono anche essere somministrati direttamente contro la neoplasia.

Malattia autoimmune:

Questa malattia provoca una rottura della tolleranza del corpo ai propri antigeni, poiché le cellule B e T reagiscono entrambe contro i propri antigeni tissutali. Nella febbre reumatica, il corpo diventa immunizzato contro i tessuti del cuore e delle articolazioni a seguito di un'infezione. Gli anticorpi monoclonali contro l'antigene delle cellule T vengono ora utilizzati per studiare e curare molte malattie autoimmuni.

Previsione del rischio di malattia:

Particolari antigeni sulla superficie cellulare (come quelli dei leucociti umani) sono stati associati al rischio relativo di insorgenza di malattie come l'artrite reumatoide. Pertanto, il riconoscimento precoce di questi antigeni usando anticorpi monoclonali può facilitare misure preventive adeguate.

Test di gravidanza:

Dopo la fecondazione e l'impianto, l'unità placentare fetale funziona come una ghiandola endocrina che produce ormoni. Questi includono l'ormone gonadotropico corionico umano, che viene prodotto entro tre giorni dal concepimento e raggiunge un livello facilmente rilevabile dagli anticorpi monoclonali entro sette giorni. I kit sviluppati sono usati per confermare la gravidanza fin dall'undicesimo giorno dal concepimento.

Sviluppo di proteine ​​ricombinanti per uso medico e terapeutico:

Diversi sistemi di espressione sono usati per esprimere le proteine ​​ricombinanti. Questi sistemi di espressione possono essere di lievito, batteri, insetti o origine virale. I vettori di espressione procariotiche forniscono un sistema conveniente per sintetizzare le proteine ​​eucariotiche, ma le proteine ​​possono mancare di molte delle proprietà immunogeniche, della conformazione 3D e di altre caratteristiche esibite dalle normali proteine ​​eucariotiche.

I sistemi di espressione eucariotica compresi mammiferi, anfibi, piante, insetti e lieviti superano molti di questi limiti. Il sistema di espressione di cellule di mammiferi pone difficoltà nella purificazione di proteine ​​ricombinanti incluse limitazioni sulla dimensione della proteina ricombinante espressa e meccanismo di induzione dell'espressione proteica. Molte di queste limitazioni possono essere superate usando i sistemi di espressione di cellule di insetto e di lievito.

Insulina, interferone, vaccini, proteine ​​del sangue e fattori di crescita sono tra le molte sostanze prodotte usando microbi geneticamente modificati. L'ingegneria genetica o la tecnologia del DNA ricombinante o la manipolazione genetica hanno reso possibile il trasferimento di geni da un organismo all'altro, inducendo le cellule a produrre sia a basso costo che in grandi quantità, i materiali che non sarebbero normalmente prodotti.

La produzione di sostanze mediante manipolazione genetica implica l'inserimento del gene che codifica per la proteina (prodotto) da produrre in un microbo, che è in grado di sintetizzare il prodotto. Il prodotto formato può essere successivamente raccolto.

Con l'avvento della biotecnologia, molte sostanze biomediche vitali sono state generate e applicate con successo. Per esempio, la penicillina originale G (benzil penicillina) ha uno spettro relativamente ristretto di attività contro i microrganismi e non può essere somministrata per via orale.

I membri della penicillina semisintetica sono ora prodotti dalla rimozione e / o dalla sostituzione della catena laterale in vari siti della molecola mediante processi chimici o biologici. La penicillina differisce dalla penicillina benzilica. Ha un ulteriore gruppo amminico sulla sua catena laterale che conferma una gamma antibatterica più ampia e può essere somministrato per via orale. L'enzima utilizzato per fendere la catena laterale è la penicillina acilasi, che è derivata da diversi microbi tra cui E.coli e Aspergillus repins.

Nuovi bersagli farmacologici e sviluppo di vaccini:

Molti potenziali bersagli farmacologici sono già stati identificati. Questi includono enzimi metabolici chiave, fattori di crescita, ormoni, sostanze trasmittenti, prodotti oncogene, neuropeptidi e varie proteine ​​recettrici. La potenza della tecnologia rDNA può essere diretta a questi obiettivi per caratterizzarli completamente.

L'analisi del DNA può essere utilizzata per predire la sequenza di amminoacidi dei geni bersaglio clonati e le proteine ​​possono essere espresse in quantità sufficienti per fornire materiale per i microsistemi cristallografici a raggi X. L'effetto dei cambiamenti provocati dalla mutagenesi sito-diretta potrebbe essere dimostrato in termini di funzione della struttura. Tale conoscenza è essenziale per i programmi di progettazione di farmaci assistiti da computer.

Questa è un'altra area in cui i metodi rDNA si sono dimostrati efficaci. In passato, lo sviluppo del vaccino ha utilizzato metodi empirici per ricavare vaccini attenuati o uccisi per aumentare la sicurezza dei prodotti. I metodi ricombinanti consentono al ricercatore di sezionare il gene per l'immunogeno attivo dall'organismo ospite e di introdurlo in un sistema più conveniente e benigno per i livelli di alta espressione.

Alcuni degli esempi sono:

Insulina:

È un importante ormone che regola i livelli di glucosio.

Fattore antiemofilico:

È un materiale importante purificato dal sangue umano e utilizzato nel trattamento dell'emofilia. L'azione si è rivelata difficile a causa dell'infezione di emofiliaci con il virus dell'AIDS.

Albumina di siero umano:

È una delle più comuni proteine ​​del sangue utilizzate nel trattamento di lesioni da shock come le ustioni.

Enzimi ingegnerizzati:

Questi enzimi sono usati per trattare una serie di condizioni, dalle malattie cardiache all'insufficienza renale, a determinati tipi di deficit enzimatico ereditario.

Rapidi progressi vengono continuamente fatti sul campo, e nuovi orizzonti includono lo sviluppo di enzimi come biosensori o bioelettrodi per monitorare molti processi fisiologici.

Industria alimentare e delle bevande:

xilanasi:

Gli enzimi sono molecole biologiche presenti in vari organismi. I microrganismi sono stati trovati per essere una ricca fonte di enzimi di importanza industriale. Uno di questi enzimi è la xilanasi. Diversi tipi di xilanasi sono stati identificati e isolati mediante manipolazione genetica. Questi includono enzimi digestivi per fibre naturali come legno, polpa e cellulosa.

Le xilanasi svolgono un ruolo molto positivo nel migliorare la qualità dei prodotti da forno. Ad esempio, un enzima xilanasi specifico è stato identificato e prodotto da un ceppo fungino (Aspergillus niger var awamori). Le manipolazioni molecolari hanno aumentato il livello di produzione di questi enzimi da venti a quaranta volte. Questo enzima (EXLA) è stato sviluppato da Unilever ed è ora disponibile gratuitamente sul mercato.

Decotto di xilanasi e cellulasi, chiamato Flaxzyme è stato trovato per produrre una fibra pulita quando viene utilizzato per la macerazione di geni di produzione di kanab Xilanasi sono stati isolati e inseriti in E.coli, che è indotto in chick-feed. I batteri producono la xilanasi, che scompone il grano e consente al pulcino di digerire il grano più velocemente, favorendo così una crescita più rapida.

Un altro studio è stato condotto per produrre enzimaticamente un nuovo materiale di formazione di gel a base di proteine ​​del plasma per ottimizzare i prodotti a base di carne. L'azienda TNO ha sviluppato un sistema di legatura di carne fresca chiamato Fibrimex (che è una soluzione di fibrinogeno, trombina e transglutaminasi) con pezzi di carne fresca, che a sua volta forma una massa di carne di alleanza.

emulsionanti:

La gomma di acacia viene utilizzata prevalentemente come emulsionante nell'industria alimentare grazie alle sue proprietà emulsionanti e di stabilizzazione. Usando nuovi strumenti molecolari, gli emulsionanti sono ora sintetizzati da carboidrati accoppiati in modo covalente come amido, pectina, zucchero e proteine ​​da grano, latte e soia.

Test di allergia alle arachidi:

Molte persone sono state trovate per mostrare reazioni allergiche dopo aver mangiato noccioline. Per combattere questo problema, è essenziale identificare la causa di questa allergia. A tale scopo, un gruppo immunologico altamente sensibile è stato sviluppato da un'azienda olandese per rilevare le proteine ​​di arachidi negli alimenti. Questo è il primo test di arachidi con applicazioni commerciali.

Monitoraggio efficace:

Gli scienziati stanno sviluppando modelli gastrointestinali versatili per il monitoraggio dettagliato della digeribilità, della bioconversione e della biodegradabilità di alimenti, droghe e contaminanti dal punto di vista della sicurezza e della funzionalità. Questi modelli (TIM-TNO - modelli in vitro) sono ora utilizzati per studiare l'effetto digestivo degli alimenti nutraceutici.

Dolcificante ad alta intensità:

Hoechst ha sviluppato "Aesulfamek", il dolcificante ad alta intensità con il nome Sunett ^TM . La sua efficacia e i test di sicurezza tossicologici hanno stabilito questo prodotto come un dolcificante estremamente efficace.

Assunzione di calcio:

Una delle applicazioni più importanti e innovative della biotecnologia è il miglioramento del livello di calcio nei nostri alimenti I ricercatori hanno dimostrato che l'oligo-fruttosio, un oligosaccaride naturalmente digeribile e digeribile, aumenta l'assorbimento del calcio fino al ventidue per cento. Tali studi possono aprire le porte per nuove aree di applicazione della salute e nuove classi di ingredienti. Questi risultati possono essere utilizzati per creare nuovi prodotti in latticini, prodotti da forno, dolciumi e bevande.

Alimenti dai microbi:

Mentre la fermentazione e la cottura sono esistite da secoli, ora stiamo usando ceppi geneticamente puri nel processo. Gli studi dimostrano che circa 1, 5 milioni di tonnellate di lievito di birra {Saccharomyces cervisiae) vengono prodotte in tutto il mondo ogni anno. Le piante moderne hanno anche ridotto il tempo richiesto nel processo di fermentazione da mesi a giorni. Allo stesso modo, il fungo Aspergillus oryzae viene utilizzato per produrre una vasta gamma di importanti enzimi.

Funghi commestibili:

Rank Hons McDougall PLC & ICI (Zeneca) hanno recentemente ottenuto la myco-proteina Quorn da un fungo filamentoso Fusarium graminecerarum. Il quorn è ottenuto da miceli coltivati ​​in grandi fermentatori. Il prodotto finale che si ottiene ha una consistenza simile alla carne e si dice che sia il cibo più accuratamente testato. Le vendite annuali di Quorn sono di soli 15 milioni di sterline nel solo Regno Unito.

Prodotti industriali:

Recentemente è stato scoperto che l'enzima cellulosico può sostituire le pietre pomice utilizzate nell'industria tessile per produrre denim stonewashed. Ciò aiuterà a contrastare il danno che la pietra del pymice può causare al tessuto. L'enzima cellulosico può anche essere usato come agente di lucidatura biologica, in quanto rimuove la peluria dalla superficie delle fibre di cellulosa.

Le proteasi e l'idrolisi sono utilizzate rispettivamente nei detergenti per bucato e nella lavorazione dell'amido. La manipolazione genetica può creare molecole più semplici da quelle complesse o trasformare le strutture chimiche già note in composti più attivi.

Per esempio, la dolcezza dello sciroppo di mais può essere sostanzialmente aumentata dalla trasformazione chimica usando l'enzima isomerizzato di glucosio. Questi sviluppi possono avere applicazioni molto ampie nelle aree farmaceutiche, alimentari e agricole.

Molti importanti prodotti industriali sono stati prodotti da funghi utilizzando la tecnologia di fermentazione. I funghi, che secernono enzimi specifici, possono facilmente abbattere i materiali organici. Gli antibiotici sono stati anche isolati dai funghi.

Ultimamente, la ciclosporina è stata isolata da un fungo Tolypocladium inflatum come composto anti-fungine, che si è rivelato essere un agente immunosoppressore. Questo farmaco è usato principalmente per prevenire il rigetto dei trapianti di organi umani.

Gli organismi fungini sono anche una fonte di biopolimeri come i polisaccaridi. Questi ceppi, se coltivati ​​in condizioni specifiche, possono aiutare a ottenere questi biopolimeri, che sono molto utili per l'industria. Molti funghi producono un gran numero di pigmenti e sono quindi usati per produrre coloranti tessili.

Alcuni pigmenti fungini sono noti per essere derivati ​​antrachinonici, che assomigliano a un importante gruppo di tinture di tino. L'uso di questi coloranti fungini nell'industria tessile riduce i problemi associati allo smaltimento dei rifiuti delle sostanze chimiche sintetiche.

Le piante di cotone sono altamente soggette agli attacchi di insetti. Per contrastare questo problema, sono state sviluppate piante di cotone transgeniche. Queste piante portano un gene dal batterio "Bacillus thrungiensis", che protegge la pianta dall'attacco degli insetti.

Gli scienziati stanno anche cercando di sviluppare cotoni colorati transgenici, che potrebbero sostituire il processo di sbiancamento e morte. La biotecnologia ha anche avuto un impatto sulla produzione di fibre animali. Le manipolazioni genetiche possono impedire il taglio della lana nelle pecore, che è causato dall'attacco delle larve di frittura.

Diverse aziende stanno cercando di sviluppare biopolimeri a fibra. Uno di questi prodotti sviluppati da Zeneca Bio-products è il "Biopol". Questo composto chimico, polihy-droxybutyrate (PHB), è poliestere lineare ad alto peso molecolare con proprietà termoplastiche e può quindi essere fuso e filato in fibre.

La sua natura biocompatibile e biodegradabile lo rende anche estremamente utile per la realizzazione di strumenti chirurgici. Ad esempio, le suture prodotte da PHB sono facilmente degradabili dagli enzimi presenti all'interno del corpo umano. Sono in corso tentativi anche di clonare tali geni e successivamente trasferirli alle piante. Ciò consentirebbe la produzione di questi composti in quantità molto più grandi e ridurrebbe in seguito anche i suoi costi.

Benefici per l'industria tessile:

Oltre a cellulosa, coloranti e piante di cotone migliorate, le altre applicazioni della biotecnologia nell'industria tessile includono:

1. Uso di varietà vegetali migliorate per la produzione di fibre tessili e proprietà delle fibre.

2. Miglioramento delle fibre derivate dagli animali.

3. Nuove fibre da biopolimeri e microbi geneticamente modificati.

4. Sostituzione di sostanze chimiche aggressive ed energetiche mediante enzimi ecologici per la lavorazione tessile.

5. Sviluppo di detergenti a bassa energia.

6. Nuovi strumenti diagnostici per il controllo di qualità della gestione dei rifiuti tessili.

Industria della carta:

I funghi che causano il marciume bianco si sono rivelati molto utili per l'industria della carta. Specie come "Phanerochaete chrysosporium" e "Trametis versicolor" hanno sostituito alcune delle fasi chimiche utilizzate nella fabbricazione della carta. Questo può eliminare i rischi di inquinamento associati all'uso di sostanze chimiche.

Le forze biotecnologiche sono sulla buona strada per annunciare una nuova rivoluzione industriale. La forza di questa rivoluzione risiederà nello sfruttamento di organismi viventi e nell'utilizzare strumenti molecolari come alternative efficaci per le materie prime convenzionali a base chimica. E se le tendenze attuali sono indicative, questa nuova rivoluzione ridefinirà l'industria in futuro.