Industriële biotechnologie: een inleiding tot de industriële biotechnologie en de toepassingen ervan

Industriële biotechnologie: een inleiding tot de industriële biotechnologie en de toepassingen ervan!

De allereerste uitdrukking van industriële toepassingen van biotechnologie werd gevonden in de productie van bier, wijn, kaas, brood en andere gefermenteerde producten.

In de loop der jaren zijn dergelijke toepassingen uitgebreid met een zeer breed scala van producten in de voedings-, chemische en farmaceutische industrie. Genetische manipulatie en moleculaire biologie zijn van onschatbare waarde gebleken, niet alleen voor de ontwikkeling van een groot aantal producten, maar ook voor de introductie van nieuwe en effectievere bioprocessen.

Biotechnologie en geneeskunde:

Het gebruik van biotechnologie heeft een hele nieuwe wereld van mogelijkheden op het gebied van de geneeskunde geopend. Dit brede scala aan toepassingen heeft op zijn beurt enorm veel potentieel toegevoegd aan het medische veld. In het geval van oncogenen zijn bijvoorbeeld verschillende 'genetische markers' ontwikkeld om maligniteiten van de borst, colon, bronchus, slokdarm en prostaat te identificeren. Veel psychiatrische stoornissen die resulteren in het falen van het geheugen en afwijkende gedragingen worden nu begrepen in het licht van gendepressie of -activering.

Deze omvatten dementie zoals de ziekte van Alzheimer en Schizofrenie (de laatste wordt opgelopen door een enkel afwijkend gen). Biotechnologie biedt ook een enorm potentieel voor controle van de vruchtbaarheid. Veilige orgaantransplantatie en manipulatie van het immuunsysteem van het lichaam is ook mogelijk gemaakt. Designer-medicijnen is nog een andere ontwikkeling, die specifiek is toegesneden op het manipuleren van hele of gedeelten van individuele genen en het onderdrukken of induceren van specifieke acties.

Sommige van de andere toepassingen van biotechnologie in de geneeskunde zijn: '

antibiotica:

De productie van antibiotica is het meest rendabele deel van de farmaceutische industrie. Meer dan honderd antibiotica worden momenteel gebruikt en vele gevreesde bacteriële ziekten zijn onder controle gebracht. De belangrijkste groepen antibiotica omvatten penicilline, tetracycline, cefalosporine en erythromycine.

Penicilline werd ontdekt door Fleming in 1928, en ontwikkeld door Howard in 1944 van een schimmel genaamd Penicillium notatum en later van Pchrysogenum. Penicillium produceert de grootste hoeveelheid penicilline wanneer de cellen stoppen met groeien.

De vergisting van penicilline vergt zeven tot acht dagen voor maximale opbrengst. De schimmel Cephlosporium wordt gebruikt voor de productie van Cephalosporin C, een antibioticum dat zelfs die bacteriën kan doden, die resistent worden tegen penicilline. Streptomycine werd ontdekt en geproduceerd uit de filamenteuze microbe Streptomyces griseus.

Genen als zodanig coderen niet rechtstreeks antibiotica. De meeste worden geproduceerd in de cel na een reeks chemische reacties die worden gekatalyseerd door enzymen. De enzymen worden samengesteld uit instructies van specifieke genen en cellen kunnen worden gebruikt om nieuwe antibiotica te produceren. Door celfusie kan een nieuwe combinatie van genen worden gegenereerd.

Genen die de cellen kunnen instrueren om nieuwe antibiotica te maken, kunnen in de cel zelf aanwezig zijn, maar ze kunnen niet worden uitgedrukt. Door deze cellen te fuseren, kunnen deze genen worden geactiveerd, nieuwe enzymen worden gesynthetiseerd en de resulterende microben kunnen nieuwe antibiotica produceren.

antilichamen:

Wanneer er een invasie is van bacteriën, schimmels of virussen in het lichaam, genereren de bloed- en lymfeklieren antilichamen als afweermechanisme. Deze antilichamen (of immunoglobulines) identificeren de vreemde stoffen (of antigenen) en hechten zich aan het vreemde materiaal. Er zijn miljoenen verschillende soorten antilichamen in het lichaam, en elk heeft een specifieke structuur. Als een antilichaam een ​​vreemde substantie met dezelfde configuratie tegenkomt, zullen de twee samen vergrendelen.

Wanneer antigenen worden geïmplanteerd in muizen, konijnen, geiten of paarden, binden veel B-lymfocyten aan het antigeen om een ​​reeks verschillende immunoglobulinen te produceren als antilichamen tegen het antigeen. Dus de totale antilichamen gegenereerd tegen een bepaald antigeen zijn geproduceerd door veel verschillende klonen afgeleid van verschillende B-lymfocyten en worden polyklonaal genoemd. Monoklonale antilichamen worden geproduceerd uit een kloon van cellen afgeleid van een enkele B-lymfocyt. Deze identieke antilichamen herkennen precies hetzelfde antigeen.

Therapeutische toepassingen:

Monoklonale antilichamen ontwikkeld tegen een bepaald type kankercel kunnen leiden tot de regressie van de tumor, omdat de kankercellen worden herkend als zijnde vreemd aan het lichaam. Monoklonale antilichamen kunnen het immuunsysteem van een patiënt activeren om een ​​tumor aan te vallen. Anti-kanker geneesmiddelen die fysiologisch zijn gehecht aan monoklonale antilichamen gericht tegen specifieke kanker antigenen kunnen ook direct tegen de maligniteit worden afgeleverd.

Auto immuunziekte:

Deze ziekte veroorzaakt een afbraak in de tolerantie van het lichaam voor zijn eigen antigenen, omdat de B- en T-cellen beide reageren tegen hun eigen weefselantigenen. Bij reumatische koorts wordt het lichaam geïmmuniseerd tegen weefsels in het hart en gewrichten na een infectie. Monoklonale antilichamen tegen T-celantigeen worden nu gebruikt voor het bestuderen en behandelen van vele auto-immuunziekten.

Voorspelling van ziekterisico:

Bepaalde antigenen op het celoppervlak (zoals die van menselijke leukocyten) zijn in verband gebracht met het relatieve risico van het optreden van ziekten zoals reumatoïde artritis. Aldus kan vroege herkenning van deze antigenen met behulp van monoklonale antilichamen geschikte preventieve maatregelen vergemakkelijken.

Zwangerschapstesten:

Na bevruchting en implantatie functioneert de foetale placenta-eenheid als hormoonverstorende hormonen. Deze omvatten het humaan choriongonadotroop hormoon, dat binnen drie dagen na de conceptie wordt geproduceerd en binnen zeven dagen een niveau bereikt dat gemakkelijk door monoklonale antilichamen kan worden gedetecteerd. De ontwikkelde kits worden gebruikt om de zwangerschap vanaf de conceptie al op de elfde dag te bevestigen.

Ontwikkeling van recombinante proteïnen voor medisch en therapeutisch gebruik:

Verschillende expressiesystemen worden gebruikt om de recombinante eiwitten tot expressie te brengen. Deze expressiesystemen kunnen van gist, bacteriën, insecten of een virale oorsprong zijn. Prokaryote expressievectoren verschaffen een gemakkelijk systeem voor het synthetiseren van eukaryote eiwitten, maar de eiwitten kunnen veel van de immunogene eigenschappen, 3D-conformatie en andere kenmerken die worden vertoond door normale eukaryotische eiwitten missen.

Eukaryote expressiesystemen waaronder zoogdier, amfibieën, planten, insecten en gisten overwinnen veel van deze beperkingen. Zoogdiercel-expressiesysteem levert problemen op bij het zuiveren van recombinante eiwitten waaronder beperkingen van de grootte van het tot expressie gebrachte recombinante eiwit en het mechanisme van eiwitexpressie-inductie. Veel van deze beperkingen kunnen worden overwonnen met behulp van expressiesystemen van insecten- en gistcellen.

Insuline, interferon, vaccins, bloedeiwitten en groeifactoren behoren tot de vele stoffen die zijn vervaardigd met behulp van genetisch gemanipuleerde microben. Genetische manipulatie of recombinante DNA-technologie of genetische manipulatie heeft het mogelijk gemaakt genen van het ene organisme naar het andere over te brengen, waarbij cellen worden geïnduceerd om zowel goedkoop als in grote hoeveelheden, de materialen te produceren die normaal niet zouden worden geproduceerd.

De productie van stoffen door genetische manipulatie omvat de insertie van het gen dat codeert voor het te produceren eiwit (product) tot een microbe, die in staat is om het product te synthetiseren. Het gevormde product kan vervolgens worden verzameld.

Met de opkomst van de biotechnologie zijn veel vitale biomedische stoffen gegenereerd en met succes toegepast. Oorspronkelijke penicilline G (benzylpenicilline) heeft bijvoorbeeld een relatief beperkt spectrum van activiteit tegen micro-organismen en kan niet oraal worden gegeven.

Leden van semi-synthetische penicillinen worden nu geproduceerd door de verwijdering en of vervanging van zijketen op verschillende plaatsen in het molecuul door een chemisch of biologisch proces. Penicilline verschilt van benzylpenicilline. Het heeft een extra aminogroep aan de zijketen die een breder antibacterieel bereik bevestigt en oraal kan worden gegeven. Het enzym dat wordt gebruikt om de zijketen te splitsen, is penicilline-acylase, dat is afgeleid van verschillende microben, waaronder E. coli en Aspergillus-repinen.

Nieuwe medicijndoelen en vaccinontwikkeling:

Veel potentiële medicijndoelen zijn al geïdentificeerd. Deze omvatten belangrijke metabole enzymen, groeifactoren, hormonen, transmitterstoffen, oncogenproducten, neuropeptiden en verschillende receptoreiwitten. De kracht van rDNA-technologie kan op deze doelen worden gericht om ze volledig te karakteriseren.

DNA-analyse kan worden gebruikt om de aminozuursequentie van gekloneerde doelwitgenen te voorspellen, en de eiwitten kunnen in voldoende hoeveelheden tot expressie worden gebracht om materiaal voor röntgenkristallografische smidges te verschaffen. Het effect van veranderingen teweeggebracht door de plaatsgerichte mutagenese kon worden aangetoond in termen van structuurfunctie. Dergelijke kennis is essentieel voor computerondersteunde programma's voor het ontwerpen van geneesmiddelen.

Dit is een ander gebied waar rDNA-methoden succesvol zijn gebleken. In het verleden gebruikte de ontwikkeling van vaccins empirische methoden om verzwakte of gedode vaccins af te leiden om de veiligheid van de producten te vergroten. Recombinante methoden stellen de onderzoeker in staat het gen voor het actieve immunogeen uit het gastheerorganisme te ontleden en het in een meer geschikt en goedaardig systeem voor hoge expressieniveaus te introduceren.

Enkele van de voorbeelden zijn:

Insuline:

Het is een belangrijk hormoon dat glucosewaarden reguleert.

Anti-hemofilie factor:

Het is een belangrijk materiaal dat is gezuiverd uit menselijk bloed en wordt gebruikt bij de behandeling van hemofilie. Actie is moeilijk gebleken vanwege infectie van hemofiliepatiënten met het AIDS-virus.

Menselijk serum albumine:

Het is een van de meest voorkomende bloedeiwitten die worden gebruikt bij de behandeling van shockverwondingen zoals brandwonden.

Engineered Enzymes:

Deze enzymen worden gebruikt om een ​​reeks aandoeningen te behandelen, van hartaandoeningen tot nierfalen, tot bepaalde typen erfelijke enzymdeficiënties.

Snelle vorderingen worden voortdurend in het veld gemaakt en nieuwe horizonten omvatten de ontwikkeling van enzymen zoals biosensoren of bio-elektroden om vele fysiologische processen te volgen.

Voedsel- en drankenindustrie:

xylanasen:

Enzymen zijn biologische moleculen die in verschillende organismen aanwezig zijn. Micro-organismen zijn een rijke bron van industrieel belangrijke enzymen gebleken. Eén zo'n enzym is xylanase. Verschillende soorten xylanasen zijn geïdentificeerd en geïsoleerd door genetische manipulatie. Deze omvatten spijsverteringsenzymen voor natuurlijke vezels zoals hout, pulp en cellulose.

Xylanasen spelen een zeer positieve rol bij het verbeteren van de kwaliteit van gebakken producten. Een specifiek xylanase-enzym is bijvoorbeeld geïdentificeerd en geproduceerd uit een schimmelstam (Aspergillus niger var awamori). Moleculaire manipulaties hebben het productieniveau van deze enzymen met twintig tot veertig keer verhoogd. Dit enzym (EXLA) is ontwikkeld door Unilever en is nu vrij verkrijgbaar op de markt.

Xylanase en cellulase afkooksel, genaamd Flaxzyme bleek een schone vezel te produceren wanneer gebruikt voor het roten van knaaf Xylanase producerende genen zijn geïsoleerd en ingevoegd in E. coli, die is ingebracht in kuikenvoer. De bacteriën produceren xylanase, dat het graan afbreekt en het kuiken in staat stelt het graan sneller te verteren, waardoor een snellere groei wordt bevorderd.

Een ander onderzoek werd uitgevoerd om enzymatisch een nieuw op plasma-eiwit gebaseerd gelvormend materiaal te produceren voor het optimaliseren van vleesproducten. Het bedrijf TNO ontwikkelde een vers koud vleesbindingssysteem genaamd Fibrimex (een oplossing van fibrinogeen, trombine en transglutaminase) met verse vleesstukjes, die op hun beurt een verbondmassa vlees vormen.

emulgatoren:

Acaciagom wordt voornamelijk gebruikt als emulgator in de voedingsmiddelenindustrie vanwege zijn emulgerende en stabiliserende eigenschappen. Met behulp van nieuwe moleculaire gereedschappen worden emulgators nu gesynthetiseerd uit covalent gekoppelde koolhydraten zoals zetmeel, pectine, suiker en eiwitten uit tarwe, melk en sojabonen.

Pinda-allergietests:

Van veel mensen is gebleken dat ze allergische reacties vertonen na het eten van pinda's. Om dit probleem te bestrijden, is het essentieel om de oorzaak van deze allergie te identificeren. Voor dit doel is een zeer gevoelige immunologische test ontwikkeld door een in Nederland gevestigd bedrijf om pinda-eiwitten in voedingsmiddelen te detecteren. Dit is de eerste pinda-test met commerciële toepassingen.

Effectieve monitoring:

Wetenschappers ontwikkelen veelzijdige gastro-intestinale modellen voor gedetailleerde monitoring van verteerbaarheid, bioconversie en biologische afbreekbaarheid van voedingsmiddelen en geneesmiddelen en verontreinigingen vanuit het oogpunt van veiligheid en functionaliteit. Deze modellen (TIM-TNO - in-vitro modellen) worden nu gebruikt voor het bestuderen van het spijsverteringseffect van nutraceutische voedingsmiddelen.

High Intensity Sweetener:

Hoechst ontwikkelde 'Aesulfamek', de zoetstof met hoge intensiteit onder de naam Sunett ^TM . De werkzaamheid en toxicologische veiligheidstests hebben aangetoond dat dit product een uiterst effectieve zoetstof is.

Calciuminname:

Een van de belangrijkste en meest innovatieve toepassingen van biotechnologie is het verbeteren van het calciumgehalte in ons voedingsmiddel. Onderzoekers hebben aangetoond dat oligo-fructose, een van nature voorkomend, weinig verteerbaar oligosaccharide, de calciumabsorptie met wel tweeëntwintig procent verhoogt. Dergelijke studies kunnen de sluizen openen voor nieuwe gebieden van gezondheidstoepassing en nieuwe klassen van ingrediënten. Deze bevindingen kunnen worden gebruikt om nieuwe producten te creëren in zuivel, bakkerijproducten, zoetwaren en dranken.

Voedingsmiddelen van Microbes:

Terwijl brouwen en bakken al eeuwen bestaat, gebruiken we nu genetisch zuivere stammen. Studies tonen aan dat bijna 1, 5 miljoen ton bakkersgist {Saccharomyces cervisiae) elk jaar in de wereld wordt geproduceerd. Moderne planten hebben ook de tijd die nodig is in het fermentatieproces van maanden tot dagen verminderd. Evenzo wordt de schimmel Aspergillus oryzae gebruikt om een ​​breed scala aan belangrijke enzymen te produceren.

Eetbare paddestoelen:

Rank Hons McDougall PLC en ICI (Zeneca) hebben onlangs Quorn myco-eiwit verkregen van een filamenteuze schimmel Fusarium graminecerarum. Quorn wordt verkregen uit mycelia gekweekt in grote fermentoren. Het eindproduct dat wordt verkregen, heeft een vleesachtige textuur en is naar verluidt het meest grondig geteste voedsel. De jaarlijkse verkoop van Quorn bedraagt ​​15 miljoen pond in het Verenigd Koninkrijk alleen.

Industriële producten:

Onlangs is ontdekt dat het cellulose-enzym de puimsteen kan vervangen die in de textielindustrie wordt gebruikt om stonewashed denim te produceren. Hiermee wordt de schade die de piemelsteen aan de stof kan veroorzaken, tegengegaan. Het cellulose-enzym kan ook worden gebruikt als een bio-polijstmiddel, omdat het de fuzz verwijdert van het oppervlak van cellulosevezels.

Proteasen en hydrolyse worden respectievelijk gebruikt in textielwasmiddelen en zetmeelverwerking. Genetische manipulatie kan eenvoudiger moleculen uit deze complexe vormen creëren, of de reeds bekende chemische structuren transformeren tot actievere verbindingen.

De zoetheid van glucosestroop kan bijvoorbeeld aanzienlijk worden verhoogd door chemische transformatie met behulp van het enzym glucose-isomerisatie. Deze ontwikkelingen kunnen zeer brede toepassingen hebben in de farmaceutische, voedings- en landbouwgebieden.

Veel belangrijke industriële producten zijn gemaakt van schimmels met behulp van de fermentatietechnologie. Schimmels, die specifieke enzymen uitscheiden, kunnen gemakkelijk organische materialen afbreken. Antibiotica zijn ook geïsoleerd uit schimmels.

De laatste tijd is cyclosporine geïsoleerd uit een schimmel Tolypocladium inflatum als een antischimmel-verbinding, die een immunosuppressivum bleek te zijn. Dit medicijn wordt meestal gebruikt om afstoting van menselijke orgaantransplantaties te voorkomen.

Schimmige organismen zijn ook een bron van biopolymeren zoals polysacchariden. Deze stammen, wanneer gekweekt onder specifieke omstandigheden, kunnen helpen bij het verkrijgen van deze biopolymeren, die zeer nuttig zijn voor de industrie. Veel schimmels produceren een groot aantal pigmenten en worden dus gebruikt voor het produceren van textielkleurstoffen.

Van sommige schimmelpigmenten is bekend dat ze anthrachinonderivaten zijn, die lijken op een belangrijke groep Vat-kleurstoffen. Het gebruik van deze schimmelkleurstoffen in de textielindustrie vermindert de problemen die samenhangen met de afvalverwerking van synthetische chemicaliën.

Katoenplanten zijn zeer vatbaar voor aanvallen van insecten. Om dit probleem tegen te gaan, zijn nu transgene katoenplanten ontwikkeld. Deze planten dragen een gen van de bacterie 'Bacillus thrungiensis', die de plant beschermt tegen insectenaanvallen.

Wetenschappers proberen ook transgene gekleurde katoen te ontwikkelen, die het bleek- en afstervingsproces zou kunnen vervangen. Biotechnologie heeft ook een impact op de productie van dierlijke vezels. Genetische manipulaties kunnen voorkomen dat wol scheert bij schapen, wat wordt veroorzaakt door aanvallen van jonge larven.

Verschillende bedrijven proberen vezelvormende biopolymeren te ontwikkelen. Een dergelijk product ontwikkeld door Zeneca Bio-producten is de 'Biopol'. Deze chemische verbinding, polyhy-droxybutyraat (PHB), is een lineair polyester met een hoog moleculair gewicht met thermoplastische eigenschappen en kan dus worden gesmolten en tot vezels worden gesponnen.

De biocompatibele en biologisch afbreekbare aard maakt het ook uitermate geschikt voor het maken van chirurgische hulpmiddelen. Bijvoorbeeld, hechtingen gemaakt van PHB zijn gemakkelijk afbreekbaar door de enzymen die aanwezig zijn in het menselijk lichaam. Pogingen zijn ook om dergelijke genen te klonen en vervolgens over te dragen aan planten. Dit zou de productie van deze verbindingen in veel grotere hoeveelheden mogelijk maken en zou vervolgens ook de kosten ervan verlagen.

Voordelen voor de textielindustrie:

Naast cellulose, kleurstoffen en verbeterde katoenplanten, omvatten de andere toepassingen van biotechnologie in de textielindustrie:

1. Gebruik van verbeterde plantenrassen voor de productie van textielvezels en vezeleigenschappen.

2. Verbetering van vezels afkomstig van dieren.

3. Nieuwe vezels van biopolymeren en genetisch gemodificeerde microben.

4. Vervanging van agressieve en energie-intensieve chemicaliën door milieuvriendelijke enzymen voor textielverwerking.

5. Ontwikkeling van detergentia op basis van lage energie.

6. Nieuwe diagnostische hulpmiddelen voor kwaliteitscontrole van textielafvalbeheer.

Papierindustrie:

Schimmels die witrot veroorzaken, zijn tamelijk nuttig gebleken voor de papierindustrie. Soorten zoals 'Phanerochaete chrysosporium' en 'Trametis versicolor' hebben enkele van de chemische stappen die bij het maken van de paprikas worden gebruikt, vervangen. Dit kan de gevaren van vervuiling die samenhangen met het gebruik van chemicaliën elimineren.

Biotechnologische krachten zijn goed op weg om een ​​geheel nieuwe industriële revolutie in te luiden. De kracht van deze revolutie zal liggen in het exploiteren van levende organismen en het gebruik van moleculaire hulpmiddelen als effectieve alternatieven voor conventionele grondstoffen op basis van chemicaliën. En als de huidige trends een indicatie zijn, zal deze nieuwe revolutie de industrie in de toekomst herdefiniëren.