Industrielle Biotechnologie: Eine Einführung in die industrielle Biotechnologie und ihre Anwendungen

Industrielle Biotechnologie: Eine Einführung in die industrielle Biotechnologie und ihre Anwendungen!

Der erste Ausdruck industrieller Anwendungen der Biotechnologie fand sich in der Herstellung von Bier, Wein, Käse, Brot und anderen fermentierten Produkten.

Im Laufe der Jahre haben sich diese Anwendungen auf eine breite Palette von Produkten in der Lebensmittel-, Chemie- und Pharmaindustrie ausgeweitet. Gentechnik und Molekularbiologie haben sich nicht nur für die Entwicklung zahlreicher Produkte, sondern auch für die Einführung neuer und wirksamerer Bioprozesse als äußerst wertvoll erwiesen.

Biotechnologie und Medizin:

Der Einsatz der Biotechnologie hat im Bereich der Medizin eine völlig neue Welt der Möglichkeiten eröffnet. Dieses breite Anwendungsspektrum hat im medizinischen Bereich ein enormes Potenzial geschaffen. Im Fall von Onkogenen wurden zum Beispiel verschiedene "genetische Marker" entwickelt, um Malignome der Brust, des Kolons, des Bronchus, der Speiseröhre und der Prostata zu identifizieren. Viele psychiatrische Störungen, die zum Versagen des Gedächtnisses und zu abweichenden Verhaltensweisen führen, werden nun im Licht der Genunterdrückung oder -aktivierung verstanden.

Dazu gehören Demenz wie die Alzheimer-Krankheit und Schizophrenie (letztere entsteht durch ein einzelnes abweichendes Gen). Die Biotechnologie bietet auch ein enormes Potenzial für die Kontrolle der Fruchtbarkeit. Eine sichere Organtransplantation und Manipulation des körpereigenen Immunsystems wurde ebenfalls ermöglicht. Designer Drugs ist eine weitere Entwicklung, die speziell darauf zugeschnitten ist, einzelne Gene oder Teile davon zu manipulieren und bestimmte Aktionen zu unterdrücken oder auszulösen.

Einige andere Anwendungen der Biotechnologie in der Medizin sind:

Antibiotika:

Die Herstellung von Antibiotika ist der profitabelste Teil der pharmazeutischen Industrie. Derzeit sind mehr als hundert Antibiotika im Einsatz, und viele gefürchtete bakterielle Krankheiten wurden unter Kontrolle gebracht. Zu den Hauptgruppen von Antibiotika zählen Penicillin, Tetracyclin, Cephalosporin und Erythromycin.

Penicillin wurde 1928 von Fleming entdeckt und 1944 von Howard aus einem Pilz namens Penicillium notatum und später aus Pchrysogenum entwickelt. Penicillium produziert die größte Menge an Penicillin, wenn die Zellen aufhören zu wachsen.

Die Fermentation von Penicillin erfordert sieben bis acht Tage für einen maximalen Ertrag. Der Pilz Cephlosporium wird zur Herstellung von Cephalosporin C verwendet, einem Antibiotikum, das sogar die Bakterien abtöten kann, die gegen Penicillin resistent werden. Streptomycin wurde entdeckt und aus der filamentösen Mikrobe Streptomyces griseus gewonnen.

Gene als solche codieren Antibiotika nicht direkt. Die meisten von ihnen werden im Inneren der Zelle nach einer Reihe von chemischen Reaktionen hergestellt, die von Enzymen katalysiert werden. Die Enzyme werden aus Anweisungen bestimmter Gene zusammengestellt, und Zellen könnten zur Herstellung neuer Antibiotika verwendet werden. Durch Zellfusion kann eine neue Kombination von Genen erzeugt werden.

Gene, die die Zellen anweisen können, neue Antibiotika herzustellen, können zwar in der Zelle selbst vorhanden sein, sie können jedoch nicht exprimiert werden. Durch das Verschmelzen dieser Zellen können diese Gene aktiviert, neue Enzyme synthetisiert werden und die entstehenden Mikroben können neue Antibiotika herstellen.

Antikörper:

Bei einer Invasion von Bakterien, Pilzen oder Viren im Körper erzeugen Blut und Lymphdrüsen Antikörper als Abwehrmechanismus. Diese Antikörper (oder Immunoglobulins) identifizieren die Fremdsubstanzen (oder Antigene) und heften sich an das Fremdmaterial an. Es gibt Millionen verschiedener Antikörpertypen im Körper, und jeder hat eine bestimmte Struktur. Wenn ein Antikörper auf eine Fremdsubstanz mit der gleichen Konfiguration trifft, werden die beiden miteinander verbunden.

Wenn Antigene in Mäuse, Kaninchen, Ziegen oder Pferde implantiert werden, binden viele B-Lymphozyten an das Antigen, um eine Reihe verschiedener Immunglobulins als Antikörper gegen das Antigen zu produzieren. Somit wurden die gegen ein bestimmtes Antigen generierten Gesamtantikörper von vielen verschiedenen Klonen produziert, die von verschiedenen B-Lymphozyten stammen, und werden als polyklonal bezeichnet. Monoklonale Antikörper werden aus einem Klon von Zellen hergestellt, die von einem einzelnen B-Lymphozyten stammen. Diese identischen Antikörper erkennen genau das gleiche Antigen.

Therapeutische Anwendungen:

Monoklonale Antikörper, die gegen einen bestimmten Typ von Krebszellen entwickelt wurden, können zur Rückbildung des Tumors führen, da die Krebszellen als körperfremd erkannt werden. Monoklonale Antikörper können das Immunsystem eines Patienten auslösen, um einen Tumor anzugreifen. Arzneimittel gegen Krebs, die an monoklonalen Antikörpern, die gegen bestimmte Krebsantigene gerichtet sind, physiologisch gebunden sind, können auch direkt gegen die Malignität abgegeben werden.

Autoimmunerkrankung:

Diese Krankheit führt zu einem Abbau der Toleranz des Körpers gegenüber den eigenen Antigenen, da sowohl die B- als auch die T-Zellen gegen ihre eigenen Gewebeantigene reagieren. Bei rheumatischem Fieber wird der Körper nach einer Infektion gegen Gewebe im Herzen und in den Gelenken immunisiert. Monoklonale Antikörper gegen T-Zell-Antigen werden jetzt zur Untersuchung und Behandlung vieler Autoimmunkrankheiten verwendet.

Vorhersage des Krankheitsrisikos:

Bestimmte Antigene auf der Zelloberfläche (wie die von menschlichen Leukozyten) wurden mit dem relativen Risiko des Auftretens von Krankheiten wie rheumatoider Arthritis in Verbindung gebracht. Die frühzeitige Erkennung dieser Antigene mit monoklonalen Antikörpern kann daher geeignete Präventionsmaßnahmen erleichtern.

Schwangerschaftstests:

Nach der Befruchtung und Implantation fungiert die Plazentaeinheit des Fötus als endokrine Drüse, die Hormone produziert. Dazu gehört das humane chorionische Gonadotropin-Hormon, das innerhalb von drei Tagen nach der Empfängnis produziert wird und ein Niveau erreicht, das von monoklonalen Antikörpern innerhalb von sieben Tagen leicht nachgewiesen werden kann. Die entwickelten Kits dienen der Bestätigung der Schwangerschaft bereits am elften Tag nach der Empfängnis.

Entwicklung rekombinanter Proteine ​​für medizinische und therapeutische Zwecke:

Zur Expression der rekombinanten Proteine ​​werden unterschiedliche Expressionssysteme verwendet. Diese Expressionssysteme können Hefe, Bakterien, Insekten oder viralen Ursprungs sein. Prokaryontische Expressionsvektoren stellen ein bequemes System zum Synthetisieren von eukaryotischen Proteinen bereit, jedoch können den Proteinen viele der immunogenen Eigenschaften, die 3D-Konformation und andere Merkmale fehlen, die normale eukaryontische Proteine ​​aufweisen.

Eukaryontische Expressionssysteme, einschließlich Säuger, Amphibien, Pflanzen, Insekten und Hefen, überwinden viele dieser Einschränkungen. Das Expressionssystem für Säugetierzellen wirft Schwierigkeiten bei der Reinigung rekombinanter Proteine ​​auf, einschließlich der Begrenzung der Größe des exprimierten rekombinanten Proteins und des Mechanismus der Induktion der Proteinexpression. Viele dieser Einschränkungen können mit Expressionssystemen aus Insekten- und Hefezellen überwunden werden.

Insulin, Interferone, Impfstoffe, Blutproteine ​​und Wachstumsfaktoren gehören zu den vielen Substanzen, die mit gentechnisch veränderten Mikroben hergestellt werden. Gentechnik oder rekombinante DNA-Technologie oder gentechnische Manipulationen haben es möglich gemacht, Gene von einem Organismus auf einen anderen zu übertragen, wodurch Zellen dazu gebracht werden, die Materialien billig und in großen Mengen herzustellen, die normalerweise nicht hergestellt werden würden.

Bei der Herstellung von Substanzen durch genetische Manipulation wird das für das zu produzierende Protein (Produkt) kodierende Gen in eine Mikrobe eingefügt, die das Produkt synthetisieren kann. Das gebildete Produkt kann anschließend gesammelt werden.

Mit dem Aufkommen der Biotechnologie wurden viele lebenswichtige biomedizinische Substanzen erzeugt und erfolgreich angewendet. Beispielsweise hat ursprüngliches Penicillin G (Benzylpenicillin) ein relativ enges Wirkungsspektrum gegen Mikroorganismen und kann nicht oral verabreicht werden.

Mitglieder des halbsynthetischen Penicillins werden jetzt durch Entfernung oder Substitution von Seitenketten an verschiedenen Stellen im Molekül durch chemische oder biologische Prozesse hergestellt. Penicillin unterscheidet sich von Benzylpenicillin. Es hat eine zusätzliche Aminogruppe an seiner Seitenkette, die einen breiteren antibakteriellen Bereich bestätigt und oral verabreicht werden kann. Das zur Spaltung der Seitenkette verwendete Enzym ist Penicillinacylase, die aus mehreren Mikroben einschließlich E. coli und Aspergillus-Repinen stammt.

Neue Drug Targets und Impfstoffentwicklung:

Viele potenzielle Wirkstoffziele wurden bereits identifiziert. Dazu gehören wichtige metabolische Enzyme, Wachstumsfaktoren, Hormone, Transmittersubstanzen, Onkogenprodukte, Neuropeptide und verschiedene Rezeptorproteine. Die Leistungsfähigkeit der rDNA-Technologie kann auf diese Ziele gerichtet werden, um sie vollständig zu charakterisieren.

Die DNA-Analyse kann verwendet werden, um die Aminosäuresequenz von klonierten Zielgenen vorherzusagen, und die Proteine ​​können in ausreichenden Mengen exprimiert werden, um Material für kristallographische Röntgenstrahlen bereitzustellen. Der Effekt von Veränderungen, die durch die ortsgerichtete Mutagenese hervorgerufen wurden, konnte im Hinblick auf die Strukturfunktion nachgewiesen werden. Dieses Wissen ist für computergestützte Wirkstoffentwicklungsprogramme unerlässlich.

Dies ist ein weiterer Bereich, in dem sich rDNA-Methoden bewährt haben. In der Vergangenheit verwendete die Impfstoffentwicklung empirische Methoden, um abgeschwächte oder abgetötete Impfstoffe abzuleiten, um die Sicherheit der Produkte zu erhöhen. Rekombinante Verfahren ermöglichen es dem Forscher, das Gen für das aktive Immunogen aus dem Wirtsorganismus zu sezieren und in ein bequemeres und gutartiges System für hohe Expressionsniveaus einzuführen.

Einige Beispiele sind:

Insulin:

Es ist ein wichtiges Hormon, das den Blutzuckerspiegel reguliert.

Antihämophiler Faktor:

Es ist ein wichtiges Material, das aus menschlichem Blut gereinigt und zur Behandlung von Hämophilie verwendet wird. Aufgrund der Infektion von Hämophilen mit dem AIDS-Virus haben sich die Maßnahmen als schwierig erwiesen.

Humanserumalbumin:

Es ist eines der häufigsten Blutproteine, das zur Behandlung von Schockverletzungen wie Verbrennungen verwendet wird.

Engineered Enzyme:

Diese Enzyme werden zur Behandlung einer Reihe von Zuständen verwendet, von Herzerkrankungen über Nierenversagen bis hin zu bestimmten Arten von erblichen Enzymdefiziten.

In der Praxis werden ständig Fortschritte gemacht. Neue Horizonte umfassen die Entwicklung von Enzymen wie Biosensoren oder Bioelektroden zur Überwachung zahlreicher physiologischer Prozesse.

Nahrungsmittel-und Getränkeindustrie:

Xylanasen:

Enzyme sind biologische Moleküle, die in verschiedenen Organismen vorkommen. Mikroorganismen haben sich als reichhaltige Quelle industriell wichtiger Enzyme erwiesen. Ein solches Enzym ist Xylanase. Verschiedene Arten von Xylanasen wurden identifiziert und durch genetische Manipulation isoliert. Dazu gehören Verdauungsenzyme für Naturfasern wie Holz, Zellstoff und Zellulose.

Xylanasen spielen eine sehr positive Rolle bei der Verbesserung der Qualität von Backwaren. Beispielsweise wurde ein spezifisches Xylanaseenzym identifiziert und aus einem Pilzstamm (Aspergillus niger var awamori) hergestellt. Molekulare Manipulationen haben das Produktionsniveau dieser Enzyme um das Zwanzig- bis Vierzigfache erhöht. Dieses Enzym (EXLA) wurde von Unilever entwickelt und ist jetzt frei auf dem Markt erhältlich.

Es wurde festgestellt, dass Xylanase- und Cellulase-Abkochung, genannt Flaxzyme, eine saubere Faser produziert, wenn sie zum Auskochen von Knaaf verwendet werden. Xylanase-produzierende Gene wurden isoliert und in E. coli eingefügt, das in Kükenfutter eingeführt wird. Die Bakterien produzieren Xylanase, wodurch das Getreide abgebaut wird und das Küken das Getreide schneller verdauen kann, wodurch das Wachstum beschleunigt wird.

Eine weitere Studie wurde durchgeführt, um enzymatisch ein neues Plasmaprotein-basierendes gelbildendes Material zur Optimierung von Fleischprodukten herzustellen. Die TNO Company entwickelte ein frisches Fleischbindungssystem mit der Bezeichnung Fibrimex (eine Lösung aus Fibrinogen, Thrombin und Transglutaminase) mit Frischfleischstücken, das wiederum eine Fleischmasse bildet.

Emulgatoren:

Akaziengummi wird aufgrund seiner emulgierenden und stabilisierenden Eigenschaften überwiegend als Emulgator in der Lebensmittelindustrie verwendet. Mit neuen molekularen Werkzeugen werden Emulgatoren jetzt aus kovalent gekoppelten Kohlenhydraten wie Stärke, Pektin, Zucker und Proteinen aus Weizen, Milch und Sojabohnen hergestellt.

Erdnuss-Allergie-Test:

Es wurde festgestellt, dass viele Menschen nach dem Verzehr von Erdnüssen allergische Reaktionen zeigen. Um dieses Problem zu bekämpfen, ist es wichtig, die Ursache dieser Allergie zu ermitteln. Zu diesem Zweck wurde von einem niederländischen Unternehmen ein hochempfindlicher immunologischer Test zum Nachweis von Erdnussproteinen in Lebensmitteln entwickelt. Dies ist der erste Erdnussassay mit kommerziellen Anwendungen.

Effektives Monitoring:

Wissenschaftler entwickeln vielseitige Magen-Darm-Modelle zur detaillierten Überwachung der Verdaulichkeit, der Bioumwandlung und der biologischen Abbaubarkeit von Lebensmitteln und Medikamenten sowie von Schadstoffen im Hinblick auf Sicherheit und Funktionalität. Diese Modelle (TIM-TNO - In-vitro-Modelle) werden jetzt zur Untersuchung der Verdauungswirkung von Nutrazeutika verwendet.

Süßstoff mit hoher Intensität:

Hoechst entwickelte "Aesulfamek", den Süßstoff mit hoher Intensität unter dem Namen Sunett ^TM . Aufgrund seiner Wirksamkeit und toxikologischen Sicherheitstests hat sich dieses Produkt als äußerst wirksamer Süßstoff etabliert.

Kalziumaufnahme:

Eine der wichtigsten und innovativsten Anwendungen der Biotechnologie ist die Verbesserung des Kalziumspiegels in unseren Lebensmitteln. Forscher haben gezeigt, dass Oligofructose, ein natürlich vorkommendes, schwer verdauliches Oligosaccharid, die Kalziumabsorption um bis zu 22 Prozent erhöht. Solche Studien können die Schleusen für neue Anwendungsbereiche der Gesundheit und neue Inhaltsstoffklassen öffnen. Diese Erkenntnisse können verwendet werden, um neue Produkte in Molkereiprodukten, Bäckereien, Süßwaren und Getränken herzustellen.

Lebensmittel aus Mikroben:

Während das Brauen und Backen schon lange existiert hat, verwenden wir jetzt gentechnisch reine Sorten. Studien belegen, dass jährlich fast 1, 5 Millionen Tonnen Bäckerhefe (Saccharomyces cervisiae) weltweit produziert werden. Moderne Anlagen haben den Zeitaufwand für die Fermentation von Monaten auf Tage reduziert. In ähnlicher Weise wird der Pilz Aspergillus oryzae verwendet, um eine Vielzahl wichtiger Enzyme herzustellen.

Speisepilze:

Rang Hons McDougall PLC & ICI (Zeneca) haben kürzlich das Mykotein Quorn aus einem filamentösen Fusarium graminecerarum erhalten. Quorn wird aus Myzelien gewonnen, die in großen Fermentern gezüchtet werden. Das Endprodukt, das erhalten wird, hat eine fleischartige Textur und es wird berichtet, dass es das am gründlichsten getestete Lebensmittel ist. Der Jahresumsatz von Quorn beläuft sich allein in Großbritannien auf 15 Millionen Pfund.

Industrielle Produkte:

Vor kurzem wurde entdeckt, dass das Celluloseenzym die in der Textilindustrie verwendeten Bimssteine ​​ersetzen kann, um stonewashed Denim herzustellen. Dies hilft gegen den Schaden, den der Pymice-Stein am Stoff verursachen kann. Das Celluloseenzym kann auch als Biopoliermittel verwendet werden, da es die Fusseln von der Oberfläche der Cellulosefasern entfernt.

Proteasen und Hydrolysen werden in Waschmitteln bzw. in der Stärkeverarbeitung verwendet. Die genetische Manipulation kann aus diesen komplexen Molekülen einfachere Moleküle erzeugen oder die bereits bekannten chemischen Strukturen in aktivere Verbindungen umwandeln.

Zum Beispiel kann die Süße von Maissirup durch chemische Umwandlung unter Verwendung des Glucoseisomerisierungsenzyms wesentlich erhöht werden. Diese Entwicklungen können in den Bereichen Pharmazie, Lebensmittel und Landwirtschaft sehr breite Anwendung finden.

Viele wichtige Industrieprodukte wurden mit der Fermentationstechnologie aus Pilzen hergestellt. Pilze, die bestimmte Enzyme ausscheiden, können organische Materialien leicht abbauen. Antibiotika wurden auch aus Pilzen isoliert.

In letzter Zeit wurde Cyclosporin aus einem Pilz-Tolypocladium inflatum als Anti-Pilz-Verbindung isoliert, die sich als Immunsuppressivum herausstellte. Dieses Medikament wird meistens zur Verhinderung der Abstoßung von menschlichen Organtransplantaten eingesetzt.

Pilzorganismen sind auch eine Quelle für Biopolymere wie Polysaccharide. Diese Stämme können, wenn sie unter bestimmten Bedingungen gezüchtet werden, dazu beitragen, diese Biopolymere zu erhalten, die für die Industrie sehr nützlich sind. Viele Pilze produzieren eine Vielzahl von Pigmenten und werden daher zur Herstellung von Textilfarbstoffen verwendet.

Einige Pilzpigmente sind als Anthrachinon-Derivate bekannt, die einer wichtigen Gruppe von Küpenfarbstoffen ähneln. Die Verwendung dieser Pilzfarbstoffe in der Textilindustrie verringert die Probleme, die mit der Entsorgung synthetischer Chemikalien verbunden sind.

Baumwollpflanzen sind sehr anfällig für Insektenbefall. Um diesem Problem zu begegnen, wurden transgene Baumwollpflanzen entwickelt. Diese Pflanzen tragen ein Gen der Bakterien "Bacillus thrungiensis", das die Pflanze vor dem Befall durch Insekten schützt.

Wissenschaftler versuchen auch, transgene gefärbte Baumwollstoffe zu entwickeln, die den Bleich- und Färbungsprozess ersetzen könnten. Die Biotechnologie hatte auch Auswirkungen auf die Tierfaserproduktion. Durch genetische Manipulationen kann das Scheren der Wolle bei Schafen verhindert werden, das durch den Befall mit Brutlarven verursacht wird.

Mehrere Unternehmen versuchen, faserbildende Biopolymere zu entwickeln. Ein solches Produkt, das von Zeneca Bio-Produkten entwickelt wurde, ist das "Biopol". Diese chemische Verbindung, Polyhydroxybutyrat (PHB), ist ein hochmolekularer linearer Polyester mit thermoplastischen Eigenschaften und kann somit geschmolzen und zu Fasern versponnen werden.

Aufgrund seiner biokompatiblen und biologisch abbaubaren Beschaffenheit ist es auch für die Herstellung von chirurgischen Werkzeugen äußerst nützlich. Zum Beispiel sind aus PHB hergestellte Nähte durch die im menschlichen Körper vorhandenen Enzyme leicht abbaubar. Es wird auch versucht, solche Gene zu klonen und anschließend auf Pflanzen zu übertragen. Dies würde die Herstellung dieser Verbindungen in viel größeren Mengen ermöglichen und würde anschließend auch deren Kosten senken.

Vorteile für die Textilindustrie:

Zu den weiteren Anwendungen der Biotechnologie in der Textilindustrie gehören neben Zellulose, Farbstoffen und verbesserten Baumwollpflanzen:

1. Verwendung verbesserter Pflanzensorten zur Herstellung von Textilfasern und Fasereigenschaften.

2. Verbesserung der Ballaststoffe von Tieren.

3. Neue Fasern aus Biopolymeren und gentechnisch veränderten Mikroben.

4. Ersetzen von aggressiven und energieaufwendigen Chemikalien durch umweltfreundliche Enzyme für die Textilverarbeitung.

5. Entwicklung von Waschmitteln mit niedriger Energie.

6. Neue Diagnosewerkzeuge zur Qualitätskontrolle der Verwaltung von Textilabfällen.

Papierindustrie:

Pilze, die Weißfäule verursachen, haben sich als sehr nützlich für die Papierindustrie erwiesen. Arten wie 'Phanerochaete chrysosporium' und 'Trametis versicolor' haben einige der chemischen Schritte der Papierherstellung ersetzt. Dies kann die mit der Verwendung von Chemikalien verbundenen Verschmutzungsgefahren beseitigen.

Biotechnologische Kräfte sind auf dem Weg, eine völlig neue industrielle Revolution anzukündigen. Die Kraft dieser Revolution wird darin liegen, lebende Organismen auszubeuten und molekulare Werkzeuge als wirksame Alternativen für konventionelle chemische Rohstoffe zu verwenden. Und wenn die gegenwärtigen Trends ein Indiz sind, wird diese neue Revolution die Industrie in der Zukunft neu definieren.