Công nghệ sinh học công nghiệp: Giới thiệu về công nghệ sinh học công nghiệp và đó là ứng dụng

Công nghệ sinh học công nghiệp: Giới thiệu về công nghệ sinh học công nghiệp và đó là ứng dụng!

Biểu hiện đầu tiên của các ứng dụng công nghiệp của công nghệ sinh học đã được tìm thấy trong sản xuất bia, rượu vang, phô mai, bánh mì và các sản phẩm lên men khác.

Trong những năm qua, các ứng dụng như vậy đã mở rộng để bao gồm rất nhiều sản phẩm trong ngành công nghiệp thực phẩm, hóa chất và dược phẩm. Kỹ thuật di truyền và sinh học phân tử đã được chứng minh là vô giá đối với sự phát triển của một loạt các sản phẩm, mà còn để giới thiệu các quá trình sinh học mới và hiệu quả hơn.

Công nghệ sinh học và y học:

Việc sử dụng công nghệ sinh học đã mở ra một thế giới hoàn toàn mới về khả năng trong lĩnh vực y học. Phạm vi ứng dụng rộng rãi này đã lần lượt bổ sung tiềm năng to lớn cho lĩnh vực y học. Ví dụ, trong trường hợp gen gây ung thư, nhiều "dấu hiệu di truyền" đã được phát triển để xác định các khối u ác tính của vú, đại tràng, phế quản, thực quản và phủ phục. Nhiều rối loạn tâm thần dẫn đến sự thất bại của trí nhớ và hành vi bất thường hiện đang được hiểu trong ánh sáng của sự ức chế hoặc kích hoạt gen.

Chúng bao gồm chứng mất trí nhớ như bệnh Alzheimer và tâm thần phân liệt (sau này được phát sinh bởi một gen dị thường duy nhất). Công nghệ sinh học cũng có tiềm năng to lớn để kiểm soát khả năng sinh sản. Ghép tạng an toàn và thao tác hệ thống miễn dịch của cơ thể cũng đã được thực hiện. Thuốc thiết kế là một sự phát triển khác, được thiết kế đặc biệt để thao túng toàn bộ hoặc một phần các gen riêng lẻ và để ngăn chặn hoặc gây ra các hành động cụ thể.

Một số ứng dụng khác của công nghệ sinh học vào y học là: '

Kháng sinh:

Sản xuất kháng sinh là phần có lợi nhất trong ngành dược phẩm. Hơn một trăm loại kháng sinh hiện đang được sử dụng và nhiều bệnh vi khuẩn đáng sợ đã được kiểm soát. Các nhóm kháng sinh chính bao gồm penicillin, tetracycline, cephalosporin và erythromycin.

Penicillin được phát hiện bởi Fleming vào năm 1928, và được Howard phát triển vào năm 1944 từ một loại nấm có tên Penicillium notatum và sau đó từ Pchrysogenum. Penicillium sản xuất số lượng lớn nhất của penicillin khi các tế bào ngừng phát triển.

Quá trình lên men của penicillin cần bảy đến tám ngày để có năng suất tối đa. Nấm Cephlosporium được sử dụng để sản xuất Cephalosporin C, một loại kháng sinh có thể tiêu diệt ngay cả những vi khuẩn, có khả năng kháng penicillin. Streptomycin được phát hiện và sản xuất từ ​​vi khuẩn dạng sợi Streptomyces griseus.

Các gen như vậy không trực tiếp mã hóa kháng sinh. Hầu hết chúng được sản xuất bên trong tế bào theo một chuỗi các phản ứng hóa học được xúc tác bởi các enzyme. Các enzyme được tập hợp từ hướng dẫn của các gen cụ thể và các tế bào có thể được sử dụng để sản xuất kháng sinh mới. Phản ứng tổng hợp tế bào cho phép tạo ra sự kết hợp mới của các gen.

Các gen có thể hướng dẫn các tế bào tạo ra kháng sinh mới có thể có trong chính tế bào, nhưng chúng không thể được biểu hiện. Bằng cách hợp nhất các tế bào này, các geneg này có thể được kích hoạt, các enzyme mới được tổng hợp và các vi khuẩn tạo ra có thể tạo ra kháng sinh mới.

Kháng thể:

Bất cứ khi nào có sự xâm nhập của vi khuẩn, nấm hoặc vi rút trong cơ thể, các tuyến máu và bạch huyết sẽ tạo ra các kháng thể như một cơ chế bảo vệ. Những kháng thể này (hoặc immunoglobulin) xác định các chất lạ (hoặc kháng nguyên) và gắn vào vật liệu ngoài hành tinh. Có hàng triệu loại kháng thể khác nhau trong cơ thể, và mỗi loại có một cấu trúc riêng. Nếu một kháng thể gặp một chất lạ có cùng cấu hình, cả hai sẽ khóa lại với nhau.

Khi các kháng nguyên được cấy vào chuột, thỏ, dê hoặc ngựa, nhiều tế bào lympho B liên kết với kháng nguyên để tạo ra một loạt các globulin miễn dịch khác nhau như là kháng thể đối với kháng nguyên. Do đó, tổng số kháng thể được tạo ra đối với một kháng nguyên cụ thể đã được tạo ra bởi nhiều dòng vô tính khác nhau có nguồn gốc từ các tế bào lympho B khác nhau và được gọi là polyclonal. Kháng thể đơn dòng được tạo ra từ một bản sao của các tế bào có nguồn gốc từ một tế bào lympho B duy nhất. Những kháng thể giống hệt nhau nhận ra chính xác cùng một kháng nguyên.

Ứng dụng trị liệu:

Các kháng thể đơn dòng được phát triển chống lại một loại tế bào ung thư cụ thể có thể dẫn đến sự hồi quy của khối u, vì các tế bào ung thư được công nhận là xa lạ với cơ thể. Kháng thể đơn dòng có thể kích hoạt hệ thống miễn dịch của bệnh nhân để bắt đầu tấn công khối u. Các loại thuốc chống ung thư gắn liền với sinh lý với kháng thể đơn dòng chống lại các kháng nguyên ung thư cụ thể cũng có thể được phân phối trực tiếp chống lại bệnh ác tính.

Bệnh tự miễn:

Bệnh này gây ra sự phá vỡ khả năng chịu đựng của cơ thể đối với các kháng nguyên của chính nó, vì các tế bào B và T đều phản ứng chống lại các kháng nguyên mô của chính chúng. Trong sốt thấp khớp, cơ thể trở nên miễn dịch chống lại các mô trong tim và khớp sau khi bị nhiễm trùng. Các kháng thể đơn dòng chống lại kháng nguyên tế bào T hiện đang được sử dụng để nghiên cứu và điều trị nhiều bệnh tự miễn.

Dự đoán rủi ro bệnh tật:

Các kháng nguyên đặc biệt trên bề mặt tế bào (như các tế bào bạch cầu của người) có liên quan đến nguy cơ xuất hiện các bệnh như viêm khớp dạng thấp. Do đó, việc nhận biết sớm các kháng nguyên này bằng kháng thể đơn dòng có thể tạo điều kiện cho các biện pháp phòng ngừa phù hợp.

Thử thai:

Sau khi thụ tinh và cấy ghép, đơn vị nhau thai hoạt động như một tuyến nội tiết sản xuất hormone. Chúng bao gồm hoocmon tuyến sinh dục ở người, được sản xuất trong vòng ba ngày sau khi thụ thai và đạt đến mức dễ dàng phát hiện bởi các kháng thể đơn dòng trong vòng bảy ngày. Các bộ dụng cụ được phát triển được sử dụng để xác nhận mang thai sớm nhất là vào ngày thứ mười một kể từ khi thụ thai.

Phát triển Protein tái tổ hợp cho sử dụng y tế và điều trị:

Các hệ thống biểu hiện khác nhau được sử dụng để thể hiện các protein tái tổ hợp. Các hệ thống biểu hiện này có thể là men, vi khuẩn, côn trùng hoặc nguồn gốc virus. Các vec tơ biểu hiện prokaryote cung cấp một hệ thống thuận tiện để tổng hợp protein nhân chuẩn, nhưng protein có thể thiếu nhiều đặc tính miễn dịch, cấu trúc 3D và các đặc điểm khác được biểu hiện bởi protein eukaryote bình thường.

Các hệ thống biểu hiện sinh vật nhân thực bao gồm động vật có vú, động vật lưỡng cư, thực vật, côn trùng và nấm men khắc phục nhiều hạn chế này. Hệ thống biểu hiện tế bào động vật có vú gây khó khăn trong việc tinh chế protein tái tổ hợp bao gồm các hạn chế về kích thước của protein tái tổ hợp biểu hiện và cơ chế gây ra biểu hiện protein. Nhiều hạn chế trong số này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng các hệ thống biểu hiện từ tế bào côn trùng và nấm men.

Insulin, interferon's, vắc-xin, protein máu và các yếu tố tăng trưởng là một trong số nhiều chất được sản xuất bằng cách sử dụng các vi khuẩn biến đổi gen. Kỹ thuật di truyền hoặc công nghệ DNA tái tổ hợp hoặc thao tác di truyền đã giúp chuyển gen từ sinh vật này sang sinh vật khác, tạo ra các tế bào để sản xuất cả giá rẻ và số lượng lớn, các vật liệu thường không được sản xuất.

Việc sản xuất các chất bằng thao tác di truyền liên quan đến việc chèn gen mã hóa protein (sản phẩm) được sản xuất thành vi khuẩn, có khả năng tổng hợp sản phẩm. Các sản phẩm hình thành có thể được thu thập sau đó.

Với sự ra đời của công nghệ sinh học, nhiều chất y sinh quan trọng đã được tạo ra và áp dụng thành công. Ví dụ, penicillin G gốc (benzyl penicillin) có phổ hoạt động tương đối hẹp đối với vi sinh vật và không thể dùng đường uống.

Các thành viên của penicillin bán tổng hợp hiện được sản xuất bằng cách loại bỏ và thay thế chuỗi bên tại các vị trí khác nhau trong phân tử bằng quy trình hóa học hoặc sinh học. Penicillin khác với penicillin benzyl. Nó có một nhóm amino bổ sung trên chuỗi bên của nó xác nhận phạm vi kháng khuẩn rộng hơn và có thể dùng đường uống. Enzim được sử dụng để phân tách chuỗi bên là penicillin acylase, có nguồn gốc từ một số vi khuẩn bao gồm E.coli và Aspergillus repins.

Mục tiêu thuốc mới và phát triển vắc-xin:

Nhiều mục tiêu ma túy tiềm năng đã được xác định. Chúng bao gồm các enzyme chuyển hóa chính, các yếu tố tăng trưởng, kích thích tố, các chất truyền, các sản phẩm oncogene, neuropeptide và các protein thụ thể khác nhau. Sức mạnh của công nghệ rDNA có thể được hướng vào các mục tiêu này để mô tả đầy đủ chúng.

Phân tích DNA có thể được sử dụng để dự đoán chuỗi axit amin của các gen mục tiêu được nhân bản và các protein có thể được biểu thị với số lượng đủ để cung cấp nguyên liệu cho các vết bẩn tinh thể tia X. Hiệu quả của những thay đổi do đột biến định hướng của trang web mang lại có thể được chứng minh dưới dạng chức năng cấu trúc. Kiến thức như vậy là cần thiết cho các chương trình thiết kế thuốc hỗ trợ máy tính.

Đây là một lĩnh vực khác mà các phương pháp rDNA đã chứng minh thành công. Trước đây, việc phát triển vắc-xin đã sử dụng các phương pháp thực nghiệm để rút ra các loại vắc-xin bị suy giảm hoặc bị giết để tăng tính an toàn của sản phẩm. Các phương pháp tái tổ hợp cho phép nhà nghiên cứu phân tích gen cho miễn dịch hoạt động từ cơ thể vật chủ và đưa nó vào một hệ thống thuận tiện và lành tính hơn cho mức độ biểu hiện cao.

Một số ví dụ là:

Insulin:

Nó là một hormone quan trọng điều chỉnh nồng độ glucose.

Yếu tố chống đông máu:

Nó là một vật liệu quan trọng được tinh chế từ máu người, và được sử dụng trong điều trị bệnh tan máu. Hành động đã tỏ ra khó khăn vì nhiễm trùng Hemophiliac với virus AIDS.

Albumin huyết thanh người:

Đây là một trong những protein máu phổ biến nhất được sử dụng trong điều trị chấn thương sốc như bỏng.

Kỹ thuật chế tạo:

Những enzyme này được sử dụng để điều trị một loạt các tình trạng từ bệnh tim đến suy thận, đến một số loại thiếu hụt enzyme di truyền nhất định.

Những tiến bộ nhanh chóng liên tục được thực hiện trong lĩnh vực này, và những chân trời mới bao gồm sự phát triển của các enzyme như cảm biến sinh học hoặc điện cực sinh học để theo dõi nhiều quá trình sinh lý.

Ngành công nghiệp thực phẩm và nước giải khát:

Xylanase:

Enzyme là các phân tử sinh học có trong các sinh vật khác nhau. Các vi sinh vật đã được tìm thấy là một nguồn phong phú của các enzyme quan trọng trong công nghiệp. Một loại enzyme như vậy là xylanase. Các loại xylanase khác nhau đã được xác định và phân lập bằng thao tác di truyền. Chúng bao gồm các enzyme tiêu hóa cho các sợi tự nhiên như gỗ, bột giấy và cellulose.

Xylanase đóng một vai trò rất tích cực trong việc cải thiện chất lượng của các sản phẩm nướng. Ví dụ, một loại enzyme xylanase cụ thể đã được xác định và sản xuất từ ​​một chủng nấm (Aspergillus niger var awamori). Các thao tác phân tử đã tăng cường mức độ sản xuất của các enzyme này từ hai mươi đến bốn mươi lần. Enzyme này (EXLA) được phát triển bởi Unilever, và hiện có sẵn miễn phí trên thị trường.

Xylanase và cellulase decoction, được gọi là Flaxzyme đã được tìm thấy để tạo ra một loại sợi sạch khi được sử dụng để tạo ra các gen sản xuất knaaf Xylanase đã được phân lập và đưa vào E.coli, được đưa vào thức ăn cho gà con. Các vi khuẩn sản xuất xylanase, phá vỡ hạt và cho phép gà tiêu hóa hạt nhanh hơn, do đó thúc đẩy tăng trưởng nhanh hơn.

Một nghiên cứu khác đã được thực hiện để sản xuất enzyme một vật liệu tạo gel dựa trên protein huyết tương mới để tối ưu hóa các sản phẩm thịt. Công ty TNO đã phát triển một hệ thống liên kết thịt lạnh tươi gọi là Fibrimex (là một giải pháp của fibrinogen, thrombin và transglutaminase) với các miếng thịt tươi, từ đó tạo thành một khối thịt giao ước.

Chất nhũ hóa:

Keo keo được sử dụng chủ yếu như một chất nhũ hóa trong ngành công nghiệp thực phẩm do đặc tính nhũ hóa và ổn định của nó. Sử dụng các công cụ phân tử mới, các chất nhũ hóa hiện được tổng hợp từ các carbohydrate liên kết cộng hóa trị như tinh bột, pectin, đường và protein từ lúa mì, sữa và đậu nành.

Xét nghiệm dị ứng đậu phộng:

Nhiều người đã được tìm thấy để hiển thị phản ứng dị ứng sau khi ăn đậu phộng. Để chống lại vấn đề này, điều cần thiết là xác định nguyên nhân gây dị ứng này. Với mục đích này, một xét nghiệm miễn dịch rất nhạy cảm đã được phát triển bởi một công ty có trụ sở tại Hà Lan để phát hiện protein đậu phộng trong thực phẩm. Đây là xét nghiệm lạc đầu tiên với các ứng dụng thương mại.

Giám sát hiệu quả:

Các nhà khoa học đang phát triển các mô hình đường tiêu hóa đa năng để theo dõi chi tiết khả năng tiêu hóa, chuyển hóa sinh học và khả năng phân hủy sinh học của thực phẩm và thuốc và các chất gây ô nhiễm từ điểm an toàn và chức năng. Những mô hình này (TIM-TNO - mô hình in vitro) hiện được sử dụng để nghiên cứu hiệu quả tiêu hóa của thực phẩm dinh dưỡng.

Chất làm ngọt cường độ cao:

Hoechst đã phát triển 'Aesulfamek', chất làm ngọt cường độ cao dưới tên Sunett ^TM . Hiệu quả và thử nghiệm an toàn độc tính của nó đã thiết lập sản phẩm này như một chất làm ngọt cực kỳ hiệu quả.

Lượng canxi nạp vào:

Một trong những ứng dụng quan trọng và sáng tạo nhất của công nghệ sinh học là cải thiện mức canxi trong thực phẩm của chúng tôi Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng oligo-fructose, một loại oligosacarit tự nhiên, dễ tiêu hóa, làm tăng sự hấp thụ canxi lên tới hai mươi hai phần trăm. Những nghiên cứu như vậy có thể mở ra các vùng lũ cho các lĩnh vực mới của ứng dụng y tế và các lớp thành phần mới. Những phát hiện này có thể được sử dụng để tạo ra các sản phẩm mới trong sữa, bánh, bánh kẹo và đồ uống.

Thực phẩm từ vi khuẩn:

Trong khi sản xuất bia và làm bánh đã tồn tại từ lâu đời, chúng tôi hiện đang sử dụng các chủng thuần chủng di truyền trong quy trình. Các nghiên cứu cho thấy gần 1, 5 triệu tấn men của thợ làm bánh {Saccharomyces cervisiae) được sản xuất trên toàn thế giới mỗi năm. Các nhà máy hiện đại cũng đã giảm thời gian cần thiết trong quá trình lên men từ vài tháng đến vài ngày. Tương tự, nấm Aspergillus oryzae đang được sử dụng để sản xuất một loạt các enzyme quan trọng.

Nấm ăn được:

Thứ hạng Hons McDougall PLC & ICI (Zeneca) gần đây đã thu được Quorn myco-protein từ một loại nấm sợi Fusarium graminecerarum. Quorn thu được từ sợi nấm được trồng trong các máy lên men lớn. Sản phẩm cuối cùng thu được có kết cấu giống như thịt, và được báo cáo là thực phẩm được kiểm tra kỹ lưỡng nhất. Doanh thu hàng năm của Quorn là khoảng 15 triệu bảng chỉ riêng ở Vương quốc Anh.

Những sản phẩm công nghiệp:

Gần đây người ta đã phát hiện ra rằng enzyme cellulose có thể thay thế đá bọt được sử dụng trong ngành dệt để sản xuất denim bị đá. Điều này sẽ giúp chống lại thiệt hại mà đá pymice có thể gây ra cho vải. Enzyme cellulose cũng có thể được sử dụng như một chất đánh bóng sinh học, vì nó loại bỏ lông tơ trên bề mặt sợi cellulose.

Protease và thủy phân được sử dụng trong bột giặt và chế biến tinh bột tương ứng. Thao tác di truyền có thể tạo ra các phân tử đơn giản hơn từ những phân tử phức tạp này hoặc biến đổi các cấu trúc hóa học đã biết thành các hợp chất hoạt động mạnh hơn.

Ví dụ, độ ngọt của xi-rô ngô có thể được tăng lên đáng kể bằng cách biến đổi hóa học bằng cách sử dụng enzyme đồng phân glucose. Những phát triển này có thể có ứng dụng rất rộng trong lĩnh vực dược phẩm, thực phẩm và nông nghiệp.

Nhiều sản phẩm công nghiệp quan trọng đã được sản xuất từ ​​nấm bằng công nghệ lên men. Nấm, tiết ra các enzyme cụ thể, có thể dễ dàng phá vỡ các vật liệu hữu cơ. Thuốc kháng sinh cũng đã được phân lập từ nấm.

Cuối cùng, cyclosporine đã được phân lập từ một loại nấm Tolypocladium Inflatum như một hợp chất chống nấm, hóa ra là một chất ức chế miễn dịch. Thuốc này chủ yếu được sử dụng để ngăn chặn từ chối cấy ghép nội tạng của con người.

Các sinh vật nấm cũng là một nguồn của biopolyme như polysacarit. Những chủng này, khi được phát triển trong các điều kiện cụ thể, có thể giúp thu được các chất độc sinh học này, rất hữu ích cho ngành công nghiệp. Nhiều loại nấm tạo ra một số lượng lớn sắc tố, và do đó được sử dụng để sản xuất thuốc nhuộm dệt.

Một số sắc tố nấm được biết đến là dẫn xuất anthraquinone, giống như một nhóm thuốc nhuộm Vat quan trọng. Việc sử dụng các thuốc nhuộm nấm trong ngành dệt may làm giảm các vấn đề liên quan đến việc xử lý chất thải của các hóa chất tổng hợp.

Cây bông rất dễ bị côn trùng tấn công. Để khắc phục vấn đề này, cây bông biến đổi gen hiện đã được phát triển. Những cây này mang gen từ vi khuẩn 'Bacillus thrungiensis', bảo vệ cây khỏi sự tấn công của côn trùng.

Các nhà khoa học cũng đang cố gắng phát triển bông màu chuyển gen, có thể thay thế quá trình tẩy và nhuộm. Công nghệ sinh học cũng đã có tác động đến sản xuất sợi động vật. Thao tác di truyền có thể ngăn chặn lông cừu ở cừu, nguyên nhân là do sự tấn công của ấu trùng cá bột.

Một số công ty đang cố gắng phát triển các biopolyme tạo sợi. Một sản phẩm như vậy được phát triển bởi Zeneca Bio-Products là 'Biopol'. Hợp chất hóa học này, polyhy-droxybutyrate (PHB), là polyester tuyến tính có trọng lượng phân tử cao, có đặc tính nhiệt dẻo, và do đó có thể được nấu chảy và kéo thành sợi.

Bản chất tương thích sinh học và phân hủy sinh học của nó cũng làm cho nó cực kỳ hữu ích để chế tạo các công cụ phẫu thuật. Ví dụ, chỉ khâu làm từ PHB có thể dễ dàng phân hủy bởi các enzyme có trong cơ thể con người. Những nỗ lực cũng được nhân bản các gen như vậy và sau đó chuyển chúng sang thực vật. Điều này sẽ cho phép sản xuất các hợp chất này với số lượng lớn hơn nhiều, và sau đó cũng sẽ giảm chi phí của nó.

Lợi ích cho ngành dệt may:

Bên cạnh cellulose, thuốc nhuộm và cây bông cải tiến, các ứng dụng khác của công nghệ sinh học trong ngành dệt may bao gồm:

1. Sử dụng các giống cây trồng cải tiến để sản xuất sợi dệt và tính chất sợi.

2. Cải thiện chất xơ có nguồn gốc từ động vật.

3. Sợi tiểu thuyết từ biopolyme và vi khuẩn biến đổi gen.

4. Thay thế các hóa chất khắc nghiệt và đòi hỏi năng lượng bằng các enzyme thân thiện với môi trường để xử lý dệt may.

5. Phát triển các chất tẩy rửa dựa trên năng lượng thấp.

6. Công cụ chẩn đoán mới để kiểm soát chất lượng quản lý chất thải dệt may.

Ngành giấy:

Nấm gây bệnh thối trắng đã được chứng minh là khá hữu ích cho ngành công nghiệp giấy. Các loài như 'Phanerochaete chrysosporium' và 'Trametis Verscolor' đã thay thế một số bước hóa học được sử dụng trong việc làm giấy. Điều này có thể loại bỏ các mối nguy ô nhiễm liên quan đến việc sử dụng hóa chất.

Các lực lượng công nghệ sinh học đang trên đường tiến hành một cuộc cách mạng công nghiệp hoàn toàn mới. Sức mạnh của cuộc cách mạng này sẽ nằm ở việc khai thác các sinh vật sống và sử dụng các công cụ phân tử làm vật liệu thay thế hiệu quả cho các nguyên liệu thô dựa trên hóa học thông thường. Và nếu xu hướng hiện tại là bất kỳ dấu hiệu nào, cuộc cách mạng mới này sẽ định nghĩa lại ngành công nghiệp trong tương lai.