التكنولوجيا الحيوية الصناعية: مقدمة للتكنولوجيا الحيوية الصناعية وتطبيقاتها

التكنولوجيا الحيوية الصناعية: مقدمة للتكنولوجيا الحيوية الصناعية وتطبيقاتها!

تم العثور على أول تعبير عن التطبيقات الصناعية للتكنولوجيا الحيوية في إنتاج البيرة والنبيذ والجبن والخبز وغيرها من المنتجات المخمرة.

على مر السنين ، توسعت هذه التطبيقات لتشمل مجموعة واسعة جدا من المنتجات في الصناعات الغذائية والكيماوية والدوائية. أثبتت الهندسة الوراثية والبيولوجيا الجزيئية أنها لا تقدر بثمن ، ليس فقط من أجل تطوير مجموعة من المنتجات ، ولكن أيضًا لإدخال معالجات حيوية جديدة وأكثر فاعلية.

التكنولوجيا الحيوية والطب:

لقد فتح استخدام التكنولوجيا الحيوية عالما جديدا من الاحتمالات في مجال الطب. وقد أدت هذه المجموعة الواسعة من التطبيقات إلى إضافة إمكانات هائلة إلى مجال الطب. على سبيل المثال ، في حالة الجينات الورمية ، تم تطوير "علامات وراثية" مختلفة لتحديد الأورام الخبيثة للثدي والقولون والقصبات الهوائية والمريء والسجود. يتم الآن فهم العديد من الاضطرابات النفسية التي تؤدي إلى فشل الذاكرة والسلوكيات الشاذة في ضوء قمع الجينات أو تنشيطها.

وتشمل هذه الخرف مثل مرض الزهايمر ومرض الفصام (وهذا الأخير يحدث من قبل جينة شاذة واحدة). كما تمتلك التكنولوجيا الحيوية إمكانات هائلة للتحكم في الخصوبة. كما أصبح من الممكن زرع الأعضاء الآمنة والتلاعب بجهاز المناعة في الجسم. إن العقاقير المصممة هي تطور آخر ، مصمم خصيصًا للتلاعب بكامل أو أجزاء من الجينات الفردية ولقمع أو حث إجراءات محددة.

بعض التطبيقات الأخرى للتكنولوجيا الحيوية للطب هي:

مضادات حيوية:

تصنيع المضادات الحيوية هو الجزء الأكثر ربحية في صناعة الأدوية. هناك أكثر من مائة مضاد حيوي قيد الاستخدام حاليًا ، كما تم السيطرة على العديد من الأمراض البكتيرية المخيفة. وتشمل المجموعات الرئيسية للمضادات الحيوية البنسلين والتتراسيكلين والسيفالوسبورين والإريثروميسين.

اكتشف فليمينغ البنسلين في عام 1928 ، وطورها هوارد في عام 1944 من فطر يدعى Penicillium notatum ولاحقاً من Pchrysogenum. ينتج البنسيليوم أكبر كمية من البنسلين عندما تتوقف الخلايا عن النمو.

يتطلب تخمر البنسلين من سبعة إلى ثمانية أيام لتحقيق أقصى عائد. يستخدم الفطر Cephlosporium في تصنيع Cephalosporin C ، وهو مضاد حيوي يمكن أن يقتل حتى تلك البكتيريا ، التي تصبح مقاومة للبنسلين. تم اكتشاف Streptomycin وإنتاجها من الميكروبات الخيطية Streptomyces griseus.

الجينات على هذا النحو لا ترمز مباشرة للمضادات الحيوية. يتم إنتاج معظمها داخل الخلية بعد سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي تحفزها الإنزيمات. يتم تجميع الإنزيمات من تعليمات جينات محددة ، ويمكن استخدام الخلايا لإنتاج مضادات حيوية جديدة. يسمح اندماج الخلايا بتوليد توليفة جديدة من الجينات.

قد تكون الجينات التي يمكنها توجيه الخلايا لصنع مضادات حيوية جديدة موجودة في الخلية نفسها ، ولكن لا يمكن التعبير عنها. من خلال دمج هذه الخلايا ، يمكن تنشيط هذا النوع من الجينات ، وتوليف إنزيمات جديدة ، ويمكن للميكروبات الناتجة تصنيع مضادات حيوية جديدة.

الأجسام المضادة:

عندما يكون هناك غزو للبكتيريا والفطريات أو الفيروسات في الجسم ، تولد الدم والغدد اللمفاوية أجسام مضادة كآلية دفاعية. هذه الأجسام المضادة (أو immunoglobulin) تحدد المواد الأجنبية (أو المستضدات) ، وتعلق نفسها بالمادة الغريبة. هناك الملايين من أنواع مختلفة من الأجسام المضادة في الجسم ، ولكل منها هيكل معين. إذا واجه الجسم المضاد مادة أجنبية بنفس التكوين ، فسيتم قفل الاثنين معًا.

عندما يتم زرع المستضدات في الفئران ، الأرانب ، الماعز أو الخيول ، ترتبط العديد من الخلايا الليمفاوية B بالمستضد لإنتاج مجموعة من الغلوبولين المناعي كأجسام مضادة للمستضد. وهكذا تم إنتاج الأضداد الكلية المتولدة تجاه مستضد معين بواسطة العديد من النُسخ المختلفة المشتقة من مختلف الخلايا الليمفاوية B ويشار إليها باسم polyclonal. يتم إنتاج الأجسام المضادة وحيدة النسيلة من نسخة من الخلايا المشتقة من خلية ليمفاوية واحدة. تتعرف هذه الأجسام المضادة المماثلة تمامًا على نفس المستضد.

التطبيقات العلاجية:

الأجسام المضادة أحادية النسيلة المتقدمة ضد نوع معين من الخلايا السرطانية قد تؤدي إلى تراجع الورم ، حيث يتم التعرف على الخلايا السرطانية على أنها غريبة على الجسم. يمكن للأجسام المضادة أحادية النسيلة أن تطلق نظام مناعة المريض لبدء مهاجمة الورم. الأدوية المضادة للسرطان التي تعلق من الناحية الفسيولوجية للأجسام المضادة وحيدة النسيلة المستهدفة ضد مستضدات سرطانية محددة يمكن أيضا أن يتم تسليمها مباشرة ضد الورم الخبيث.

مرض يصيب جهاز المناعه:

يسبب هذا المرض انهيارًا في تحمل الجسم لمستضداته الخاصة ، حيث تتفاعل كل من الخلايا B و T ضد المستضدات النسيجية الخاصة بها. في الحمى الروماتيزمية ، يتم تحصين الجسم ضد الأنسجة في القلب والمفاصل بعد الإصابة. يتم الآن استخدام الأجسام المضادة أحادية النسيلة ضد مستضد الخلايا T لدراسة وعلاج العديد من أمراض المناعة الذاتية.

التنبؤ بمخاطر الأمراض:

وارتبط مستضدات معينة على سطح الخلية (مثل تلك الكريات البيض البشرية) مع الخطر النسبي لحدوث أمراض مثل التهاب المفاصل الروماتويدي. وهكذا ، فإن التعرف المبكر على هذه المستضدات باستخدام الأجسام المضادة أحادية النسيلة يمكن أن ييسر اتخاذ تدابير وقائية مناسبة.

اختبار الحمل:

بعد التخصيب والزرع ، تعمل وحدة المشيمة الجنينية كغدة صماء تنتج هرمونات. وتشمل هذه الهرمون المناجي المشيمي البشري ، الذي ينتج في غضون ثلاثة أيام من الحمل ويصل إلى مستوى يمكن اكتشافه بسهولة من خلال الأجسام المضادة وحيدة النسيلة في غضون سبعة أيام. يتم استخدام مجموعات وضعت لتأكيد الحمل في وقت مبكر من اليوم الحادي عشر من الحمل.

تطوير بروتينات Recombinant للاستخدام الطبي والعلاجي:

تستخدم أنظمة التعبير المختلفة للتعبير عن البروتينات المؤتلف. يمكن أن تكون أنظمة التعبير هذه خميرة أو بكتيريا أو حشرة أو أصل فيروسي. توفر نواقل تعبير النواة البدائية نظامًا مناسبًا لتركيب البروتينات حقيقية النواة ، ولكن البروتينات قد تفتقر إلى العديد من الخصائص المناعية ، والتشكيل ثلاثي الأبعاد والميزات الأخرى التي تظهرها بروتينات حقيقية النواة.

أنظمة التعبير حقيقية النواة بما في ذلك الثدييات والبرمائيات والنبات والحشرات والخميرة التغلب على العديد من هذه القيود. نظام التعبير عن الثدييات الثديية يشكل صعوبة في تنقية البروتينات المؤتلف بما في ذلك القيود المفروضة على حجم البروتين المؤتلف معرب عنه وآلية تحريض التعبير البروتين. يمكن التغلب على العديد من هذه القيود باستخدام أنظمة التعبير عن الخلايا الحشرية والخميرة.

الأنسولين ، الإنترفيرون ، اللقاحات ، بروتينات الدم وعوامل النمو هي من بين العديد من المواد المصنعة باستخدام الميكروبات المعدلة وراثيا. جعلت الهندسة الوراثية أو تكنولوجيا الحمض النووي المؤتلف أو التلاعب الجيني من الممكن نقل الجينات من كائن حي إلى آخر ، مما يحرض الخلايا على تصنيعها بأسعار رخيصة وبكميات كبيرة ، وهي المواد التي لا يمكن إنتاجها بشكل طبيعي.

إنتاج المواد عن طريق التلاعب الجيني ينطوي على إدخال الجين الذي يرمز للبروتين (المنتج) ليتم تصنيعه في ميكروب ، وهو قادر على تصنيع المنتج. يمكن أن يتم تجميع المنتج بعد ذلك.

مع ظهور التكنولوجيا الحيوية ، تم توليد العديد من المواد الحيوية الطبية الحيوية وتطبيقها بنجاح. على سبيل المثال ، يحتوي البنسلين الأصلي G (بنزيل بنسلين) على نطاق ضيق نسبيا من النشاط ضد الكائنات الدقيقة ولا يمكن إعطاؤه عن طريق الفم.

يتم إنتاج أعضاء البنسلين شبه الاصطناعية الآن بإزالة أو استبدال السلسلة الجانبية في مواقع مختلفة في الجزيء بواسطة عملية كيميائية أو بيولوجية. يختلف البنسلين عن بنزيل البنسيللين. يحتوي على مجموعة أمينية إضافية على السلسلة الجانبية التي تؤكد نطاقًا مضادًا للبكتيريا ويمكن إعطاؤه عن طريق الفم. إن الإنزيم المستخدم لارتباط السلسلة الجانبية هو بنسيلين بنسلين ، والذي يتم اشتقاقه من عدة ميكروبات بما في ذلك كبريتات E.coli و Aspergillus.

أهداف جديدة للمخدرات وتطوير اللقاح:

وقد تم بالفعل تحديد العديد من أهداف المخدرات المحتملة. وتشمل هذه الأنزيمات الأيضية الرئيسية ، وعوامل النمو ، والهرمونات ، ومواد الإرسال ، ومنتجات الجين الورمي ، ونيوروببتيد ، وبروتينات مستقبلات مختلفة. يمكن توجيه قوة تقنية rDNA إلى هذه الأهداف لتوصيفها بالكامل.

يمكن استخدام تحليل الحمض النووي للتنبؤ بتسلسل الأحماض الأمينية للجينات المستهدفة المستنسخة ، ويمكن التعبير عن البروتينات بكميات كافية لتزويد المواد لرائحة البلورات بالأشعة السينية. ويمكن توضيح تأثير التغييرات التي أحدثها التطفير الموجه للموقع من حيث وظيفة الهيكل. هذه المعرفة ضرورية لبرامج تصميم المخدرات بمساعدة الحاسوب.

هذا هو مجال آخر أثبتت طرق rDNA نجاحها. في الماضي ، استخدم تطوير اللقاح طرق تجريبية لاستخلاص اللقاحات الموهنة أو المميتة لزيادة سلامة المنتجات. تمكّن الطرق المؤتلفة الباحث من تشريح الجين من أجل المستمنع النشط من الكائن الحي المضيف ، وإدخاله إلى نظام أكثر ملائمة وحميمية لمستويات التعبير المرتفع.

بعض الأمثلة هي:

الأنسولين:

وهو هرمون مهم ينظم مستويات الجلوكوز.

عامل مضاد للدماء:

وهي مادة مهمة تنقى من دم الإنسان ، وتستخدم في علاج الناعور. ثبت أن العمل صعب بسبب عدوى مرضى الناعور المصابين بفيروس الإيدز.

المصل البشري الزلال:

وهو واحد من بروتينات الدم الأكثر شيوعًا المستخدمة في علاج إصابات الصدمات مثل الحروق.

الانزيمات الهندسية:

وتستخدم هذه الانزيمات لعلاج مجموعة من الأمراض من أمراض القلب إلى الفشل الكلوي ، إلى أنواع معينة من نقص الإنزيمات الموروثة.

يتم إحراز تقدم سريع في المجال باستمرار ، وتشمل الآفاق الجديدة تطوير إنزيمات مثل أجهزة الاستشعار الحيوية أو الأقطاب الحيوية لمراقبة العديد من العمليات الفسيولوجية.

صناعة المواد الغذائية والمشروبات:

Xylanases:

الانزيمات هي جزيئات بيولوجية موجودة في الكائنات الحية المختلفة. تم العثور على الكائنات الدقيقة لتكون مصدرا غنيا للانزيمات الهامة صناعيا. أحد هذه الانزيمات هو زيلاناز. تم التعرف على أنواع مختلفة من زيلانازات ومعزولة عن طريق التلاعب الجيني. وتشمل هذه الأنزيمات الهضمية للألياف الطبيعية مثل الخشب واللب والسليلوز.

تلعب Xylanases دورًا إيجابيًا للغاية في تحسين جودة المنتجات المخبوزة. على سبيل المثال ، تم تحديد إنزيم زيليناز محدد وإنتاجه من سلالة فطرية (Aspergillus niger var oamori). وقد عززت التلاعب الجزيئي مستوى إنتاج هذه الإنزيمات من عشرين إلى أربعين مرة. تم تطوير هذا الإنزيم (EXLA) بواسطة شركة يونيليفر ، وهو متوفر الآن في السوق بحرية.

وقد تم عزل زيلاناز وسيليلول ديكوتيون ، يسمى Flaxzyme لإنتاج الألياف نظيفة عند استخدامها لإخراج جينات منتجة زيلاناز إنتاج knaaf تم عزلها وإدخالها في E.coli ، والتي يتم إدخالها في تغذية الدجاج. تنتج البكتيريا الزيلاناز ، الذي يكسر الحبوب ويسمح للفرخ بهضم الحبوب بشكل أسرع ، مما يعزز النمو السريع.

وأجريت دراسة أخرى لانتاج انزيم مادة بلازمية تعتمد على البروتين البلازمي الجديد لتحسين منتجات اللحوم. طورت شركة TNO نظام ربط اللحوم الباردة الطازجة يسمى Fibrimex (وهو محلول من الفيبرينوجين والثرومبين و transglutaminase) مع قطع اللحم الطازج ، والتي بدورها تشكل كتلة من اللحم.

المستحلبات:

يستخدم أكاسيا الصمغ في الغالب كمستحلب في صناعة الأغذية بسبب خصائصه الاستحلابية والاستقرار. باستخدام الأدوات الجزيئية الجديدة ، يتم الآن تصنيع المستحلبات من الكربوهيدرات التي تساهم في التساهمية مثل النشا والبكتين والسكر والبروتينات من القمح والحليب وفول الصويا.

اختبار الحساسية للفول السوداني:

تم العثور على العديد من الناس لعرض الحساسية بعد تناول الفول السوداني. لمكافحة هذه المشكلة ، من الضروري تحديد سبب هذه الحساسية. لهذا الغرض ، تم تطوير مقايسة مناعية حساسة للغاية من قبل شركة مقرها هولندا للكشف عن البروتينات الفول السوداني في الأطعمة. هذا هو أول اختبار الفول السوداني مع التطبيقات التجارية.

الرصد الفعال:

يقوم العلماء بتطوير نماذج معدية متعددة الجوانب لمراقبة تفصيلية للهضم ، والتحويل الأحيائي والتحلل البيولوجي للأغذية والمخدرات والملوثات من نقطة السلامة والوظيفة. هذه النماذج (TIM-TNO - في النماذج المختبرية) تستخدم الآن لدراسة التأثير الهضمي للأطعمة المغذية.

عالية الكثافة التحلية:

طورت Hoechst 'Aesulfamek' ، والمُحلي عالي الكثافة تحت اسم Sunett ^TM . وقد أثبتت فعاليتها واختبارات السلامة السمية هذا المنتج كمحلٍ فعال للغاية.

كمية الكالسيوم:

إن أحد أهم تطبيقات التكنولوجيا الحيوية وأكثرها ابتكارا هو تحسين مستوى الكالسيوم في المواد الغذائية لدينا. وقد أظهر الباحثون أن oligo-fructose ، وهو قليل السكريد ذو حصة طبيعية ، وقليل الهضم ، يزيد من امتصاص الكالسيوم بنسبة تصل إلى اثنين وعشرين في المائة. مثل هذه الدراسات يمكن أن تفتح البوابات لمجالات جديدة من التطبيقات الصحية والفئات الجديدة من المكونات. هذه النتائج يمكن استخدامها لإنشاء منتجات جديدة في منتجات الألبان والمخابز والحلويات والمشروبات.

الأطعمة من الميكروبات:

على الرغم من وجود تخمير وخبز للأعمار ، فإننا نستخدم الآن سلالات نقية وراثيا في هذه العملية. تشير الدراسات إلى أن ما يقرب من 1.5 مليون طن من خميرة الخباز {Saccharomyces cervisiae} يتم إنتاجها في جميع أنحاء العالم كل عام. كما خفضت النباتات الحديثة الوقت اللازم في عملية التخمير من شهور إلى أيام. وبالمثل ، يتم استخدام الفطر Aspergillus oryzae لإنتاج مجموعة واسعة من الإنزيمات الهامة.

الفطر الصالح للأكل:

حصلت رتبة Hons McDougall PLC & ICI (Zeneca) في الآونة الأخيرة على بروتين myco-Quorn من فطر Fusarium graminecerarum الفطري. يتم الحصول على Quorn من فطر نمت في المخمرات الكبيرة. يحتوي المنتج النهائي الذي يتم الحصول عليه على نسيج يشبه اللحم ، ويتم الإبلاغ عن أنه الطعام الأكثر اختبارًا بدقة. تبلغ المبيعات السنوية لشركة كورن 15 مليون جنيه إسترليني في المملكة المتحدة وحدها.

منتجات صناعية:

وقد تم اكتشافه مؤخرًا أن إنزيم السليلوز يمكن أن يحل محل أحجار الخفاف المستخدمة في صناعة النسيج لإنتاج الدنيم الحجري. هذا سوف يساعد في مواجهة الضرر الذي يمكن أن يسببه حجر pymice للنسيج. يمكن أيضًا استخدام إنزيم السليلوز كعامل تلميع بيولوجي ، لأنه يزيل الزغب من سطح ألياف السليولوز.

وتستخدم البروتياز والتحلل المائي في منظفات الغسيل ومعالجة النشا على التوالي. يمكن التلاعب الجيني إنشاء جزيئات أبسط من هذه المعقدة ، أو تحويل الهياكل الكيميائية المعروفة بالفعل إلى مركبات أكثر نشاطا.

على سبيل المثال ، يمكن زيادة حلاوة شراب الذرة بدرجة كبيرة عن طريق التحول الكيميائي باستخدام إنزيم أيزومروز الجلوكوز. يمكن أن يكون لهذه التطورات تطبيقات واسعة جدا في مجالات الصيدلة والأغذية والزراعة.

تم إنتاج العديد من المنتجات الصناعية الهامة من الفطريات باستخدام تقنية التخمير. يمكن للفطريات ، التي تفرز إنزيمات معينة ، أن تكسر المواد العضوية بسهولة. كما تم عزل المضادات الحيوية من الفطريات.

في الآونة الأخيرة ، تم عزل السيكلوسبورين من فطر Toypocladium inflatum كمركب مضاد للفطريات ، والذي تبين أنه عامل مثبط للمناعة. يستخدم هذا الدواء في الغالب لمنع رفض زرع الأعضاء البشرية.

الكائنات الفطرية هي أيضا مصدر البوليمرات الحيوية مثل السكريات. هذه السلالات ، عندما تنمو في ظل ظروف محددة ، يمكن أن تساعد في الحصول على هذه البوليمرات الحيوية ، والتي هي مفيدة جدا للصناعة. تنتج العديد من الفطريات عددًا كبيرًا من الأصباغ ، وبالتالي تستخدم في إنتاج الأصباغ النسيجية.

من المعروف أن بعض الأصباغ الفطرية هي مشتقات anthraquinone ، والتي تشبه مجموعة مهمة من الأصباغ VAT. استخدام هذه الأصباغ الفطرية في صناعة النسيج يقلل من المشاكل المرتبطة بالتخلص من النفايات من المواد الكيميائية الاصطناعية.

نباتات القطن معرضة بشكل كبير لهجمات الحشرات. ولمواجهة هذه المشكلة ، تم الآن تطوير نباتات القطن المحورة جينيا. تحمل هذه النباتات جينة من البكتريا 'Bacillus thrungiensis' ، التي تحمي النبات من هجوم الحشرات.

كما يحاول العلماء تطوير قطن ملون معدّل وراثيا ، يمكن أن يحل محل عملية التبييض والموت. كما كان للتكنولوجيا الحيوية تأثير على إنتاج الألياف الحيوانية. يمكن التلاعب الجيني منع قص الصوف في الأغنام ، والذي يسبب بسبب الهجوم من اليرقات اليرقات.

تحاول العديد من الشركات تطوير البوليمرات الحيوية المكونة للألياف. أحد هذه المنتجات التي طورتها منتجات Zeneca الحيوية هو "Biopol". هذا المركب الكيميائي ، polyhy-droxybutyrate (PHB) ، عبارة عن بوليستر خطي ذو وزن جزيئي مرتفع مع خصائص لدن بالحرارة ، وبالتالي يمكن إذابته وغزله في ألياف.

طبيعتها المتوافقة حيويا والقابلة للتحلل البيولوجي يجعلها أيضا مفيدة للغاية لصنع الأدوات الجراحية. على سبيل المثال ، يمكن تحلل الخيوط الجراحية المصنوعة من PHB بسهولة بواسطة الإنزيمات الموجودة داخل جسم الإنسان. كما تجري محاولات لاستنساخ مثل هذه الجينات ، ثم نقلها إلى النباتات. وهذا من شأنه تمكين إنتاج هذه المركبات بكميات أكبر بكثير ، وبالتالي خفض تكلفتها أيضًا.

فوائد لصناعة النسيج:

وإلى جانب السليلوز والأصباغ ومحطات القطن المحسنة ، تشمل التطبيقات الأخرى للتكنولوجيا الحيوية في صناعة النسيج ما يلي:

1. استخدام أصناف نباتية محسنة لإنتاج ألياف النسيج وخواص الألياف.

2. تحسين الألياف المشتقة من الحيوانات.

3. ألياف جديدة من البوليمرات الحيوية والميكروبات المعدلة وراثيا.

4. استبدال المواد الكيميائية القاسية والطاقة التي تتطلبها إنزيمات صديقة للبيئة لمعالجة النسيج.

5. تطوير المنظفات القائمة على الطاقة المنخفضة.

6. أدوات تشخيصية جديدة لمراقبة جودة إدارة نفايات الغزل والنسيج.

صناعة الورق:

أثبتت الفطريات التي تسبب العفن الأبيض أنها مفيدة تمامًا لصناعة الورق. وقد حلت بعض الأنواع مثل "Phanerochaete chrysosporium" و "Trametis versicolor" بعض الخطوات الكيميائية المستخدمة في صناعة الورق. هذا يمكن القضاء على مخاطر التلوث المرتبطة باستخدام المواد الكيميائية.

إن القوى البيوتكنولوجية في طريقها لتبشر بثورة صناعية جديدة بالكامل. ستكمن قوة هذه الثورة في استغلال الكائنات الحية ، واستخدام الأدوات الجزيئية كبدائل فعالة للمواد الكيميائية التقليدية القائمة على المواد الكيميائية. وإذا كانت الاتجاهات الحالية هي أي مؤشر ، فإن هذه الثورة الجديدة سوف تعيد تعريف الصناعة في المستقبل.