Биомолекулярная инженерия
Биомолекулярная инженерия — это применение инженерных принципов и практик для целенаправленного манипулирования молекулами биологического происхождения. Биомолекулярные инженеры объединяют знания о биологических процессах с основными знаниями в области химической инженерии , чтобы сосредоточиться на решениях на молекулярном уровне вопросов и проблем в области наук о жизни, связанных с окружающей средой , сельским хозяйством , энергетикой , промышленностью , производством продуктов питания , биотехнологиями и медициной.
Биомолекулярные инженеры целенаправленно манипулируют углеводами , белками , нуклеиновыми кислотами и липидами в рамках соотношения между их структурой (см.: Структура нуклеиновых кислот , химия углеводов , структура белка ,), функцией (см.: Функция белка ) и свойствами и в отношении применимости. в таких областях, как восстановление окружающей среды , растениеводство и животноводство, биотопливные элементы и биомолекулярная диагностика. Изучены термодинамика и кинетика молекулярного узнавания в ферментах , антителах , гибридизации ДНК , биоконъюгации/биоиммобилизации и биосепарации. Внимание также уделяется рудиментам сконструированных биомолекул в передаче сигналов в клетках , кинетике роста клеток, разработке биохимических путей и инженерии биореакторов.
Хронология
[ редактировать ]История
[ редактировать ]Во время Второй мировой войны, [ 1 ] Потребность в больших количествах пенициллина приемлемого качества заставила инженеров-химиков и микробиологов сосредоточиться на производстве пенициллина. Это создало необходимые условия для запуска цепочки реакций, которые привели к созданию области биомолекулярной инженерии. Биомолекулярная инженерия была впервые определена в 1992 году Национальными институтами здравоохранения США как исследование на стыке химической инженерии и биологии с упором на молекулярный уровень». Хотя биомолекулярная инженерия впервые была определена как исследование, с тех пор она стала академической дисциплиной и областью деятельности. инженерной практики Герцептин , гуманизированный препарат для лечения рака молочной железы, стал первым препаратом, разработанным с использованием биомолекулярного инженерного подхода и одобренным FDA США . Кроме того, «Биомолекулярная инженерия» — прежнее название журнала « Новая биотехнология» .
Будущее
[ редактировать ]Биотехнологии будущего могут помочь объяснить биомолекулярную инженерию. Глядя на закон Мура «Предсказание», в будущем квантовые и биологические процессоры станут «большими» технологиями. С помощью биомолекулярной инженерии можно манипулировать работой наших процессоров, чтобы они функционировали так же, как работают биологические клетки. Биомолекулярная инженерия имеет потенциал стать одной из наиболее важных научных дисциплин благодаря своим достижениям в анализе закономерностей экспрессии генов, а также целенаправленному манипулированию многими важными биомолекулами для улучшения их функциональности. Исследования в этой области могут привести к открытию новых лекарств, улучшению методов лечения и развитию новых биотехнологий. С ростом знаний о биомолекулах скорость поиска новых ценных молекул, включая, помимо прочего, антитела , ферменты , вакцины и терапевтические пептиды , будет продолжать ускоряться. Биомолекулярная инженерия позволит создавать новые разработки терапевтических лекарств и ценных биомолекул для лечения или профилактики рака, генетических заболеваний и других видов заболеваний. метаболические заболевания . Кроме того, ожидается появление промышленных ферментов , которые будут обладать желаемыми свойствами для улучшения процессов, а также для производства дорогостоящих биомолекулярных продуктов при гораздо более низких производственных затратах. С использованием рекомбинантной технологии также будут производиться новые антибиотики, активные против резистентных штаммов. [ 2 ]
Основные биомолекулы
[ редактировать ]Биомолекулярная инженерия занимается манипулированием многими ключевыми биомолекулами. Они включают, помимо прочего, белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и липиды. Эти молекулы являются основными строительными блоками жизни, и контроль, создание и манипулирование их формой и функциями открывает обществу множество новых возможностей и преимуществ. Поскольку каждая биомолекула уникальна, существует ряд методов, используемых для манипулирования каждой из них соответственно.
Белки
[ редактировать ]Белки – это полимеры, состоящие из цепей аминокислот, связанных пептидными связями . Они имеют четыре различных уровня структуры: первичный, вторичный, третичный и четверичный. Первичная структура относится к последовательности аминокислотного остова. Вторичная структура фокусируется на второстепенных конформациях, которые развиваются в результате образования водородных связей между аминокислотной цепью. Если большая часть белка содержит межмолекулярные водородные связи, его называют фибриллярным, а большая часть его вторичной структуры представляет собой бета-листы . Однако если большая часть ориентации содержит внутримолекулярные водородные связи, то белок называется глобулярным и в основном состоит из альфа-спиралей . Существуют также конформации, которые состоят из смеси альфа-спиралей и бета-листов, а также бета-спиралей с альфа-листами .
Третичная структура белков связана с процессом их сворачивания и устройством всей молекулы. Наконец, четвертичная структура представляет собой группу третичных белков, объединяющихся и связывающихся. На всех этих уровнях белки имеют множество мест, в которых ими можно манипулировать и регулировать. Методы используются для воздействия на аминокислотную последовательность белка (сайт-направленный мутагенез), на сворачивание и конформацию белка или сворачивание одного третичного белка в четвертичной белковой матрице. Белки, которые являются основным объектом манипуляций, обычно представляют собой ферменты . Это белки, которые действуют как катализаторы биохимических реакций . Манипулируя этими катализаторами, можно контролировать скорость реакций, продукты и эффекты. Ферменты и белки важны для биологической области, и исследования показывают, что существуют специальные разделы техники, специализирующиеся только на белках и ферментах.
Углеводы
[ редактировать ]Углеводы — еще одна важная биомолекула. Это полимеры, называемые полисахаридами , которые состоят из цепочек простых сахаров, соединенных гликозидными связями . Эти моносахариды состоят из пяти-шести углеродных колец, содержащих углерод, водород и кислород — обычно в соотношении 1:2:1 соответственно. Обычными моносахаридами являются глюкоза , фруктоза и рибоза. При соединении моносахариды могут образовывать дисахариды , олигосахариды и полисахариды: номенклатура зависит от количества связанных вместе моносахаридов. Обычные дисахариды, два соединенных моносахарида, — это сахароза , мальтоза и лактоза . Важными полисахаридами, звеньями многих моносахаридов, являются целлюлоза , крахмал и хитин .
Целлюлоза представляет собой полисахарид, состоящий из бета-1-4-связей между повторяющимися мономерами глюкозы. Это наиболее распространенный источник сахара в природе, и он играет важную роль в бумажной промышленности. Крахмал также представляет собой полисахарид, состоящий из мономеров глюкозы; однако они связаны через альфа-связь 1-4, а не через бета-связь. Крахмалы, особенно амилаза , важны во многих отраслях промышленности, включая бумажную, косметическую и пищевую. Хитин является производным целлюлозы, имеющим ацетамидную группу вместо –OH на одном из атомов углерода. Ацетимидная группа деацетилируется, полимерная цепь тогда называется хитозаном . Оба этих производных целлюлозы являются основным источником исследований для биомедицинской и пищевой промышленности . Было доказано, что они способствуют свертыванию крови , обладают противомикробными свойствами и применяются в диетическом питании. Многие разработки и исследования сосредоточены на степени деацетилирования , которая обеспечивает наиболее эффективный результат для конкретных применений.
Нуклеиновые кислоты
[ редактировать ]Нуклеиновые кислоты – это макромолекулы, состоящие из ДНК и РНК, которые представляют собой биополимеры, состоящие из цепочек биомолекул. Эти две молекулы представляют собой генетический код и шаблон, которые делают жизнь возможной. Манипуляции с этими молекулами и структурами вызывают серьезные изменения в функции и экспрессии других макромолекул. Нуклеозиды представляют собой гликозиламины, содержащие нуклеиновое основание, связанное либо с сахаром рибозой , либо с дезоксирибозой посредством бета-гликозидной связи. Последовательность оснований определяет генетический код. Нуклеотиды — это нуклеозиды, которые фосфорилируются специфическими киназами через фосфодиэфирную связь . [ 3 ] Нуклеотиды — это повторяющиеся структурные единицы нуклеиновых кислот. Нуклеотиды состоят из азотистого основания, пентозы (рибозы для РНК или дезоксирибозы для ДНК) и трех фосфатных групп. См. Сайт-направленный мутагенез , рекомбинантная ДНК и ИФА .
Липиды
[ редактировать ]Липиды – это биомолекулы, состоящие из производных глицерина, связанных цепями жирных кислот . Глицерин представляет собой простой полиол , имеющий формулу C 3 H 5 (OH) 3 . Жирные кислоты представляют собой длинные углеродные цепи, имеющие карбоновой кислоты на конце группу . Углеродные цепи могут быть либо насыщены водородом; каждая углеродная связь занята атомом водорода или одинарной связью с другим углеродом в углеродной цепи, либо они могут быть ненасыщенными; а именно, между атомами углерода в цепи имеются двойные связи. Общие жирные кислоты включают лауриновую кислоту , стеариновую кислоту и олеиновую кислоту . Изучение и разработка липидов обычно фокусируются на манипуляциях с липидными мембранами и инкапсуляции. Клеточные мембраны и другие биологические мембраны обычно состоят из фосфолипидной двухслойной мембраны или ее производного. Наряду с изучением клеточных мембран липиды также являются важными молекулами для хранения энергии. Благодаря использованию свойств инкапсуляции и термодинамических характеристик липиды становятся важным активом в структуре и контроль энергии при конструировании молекул.
Молекул
[ редактировать ]Рекомбинантная ДНК
[ редактировать ]Рекомбинантная ДНК — это биомолекулы ДНК, содержащие генетические последовательности, не присущие геному организма. Используя рекомбинантные методы, можно точно вставлять, удалять или изменять последовательность ДНК, независимо от местоположения сайтов рестрикции. Рекомбинантная ДНК используется для широкого спектра применений.
Метод
[ редактировать ]Традиционный метод создания рекомбинантной ДНК обычно включает использование плазмид в бактериях-хозяевах. Плазмида содержит генетическую последовательность, соответствующую сайту узнавания эндонуклеазы рестрикции, такой как EcoR1 . После того как фрагменты чужеродной ДНК, которые также были разрезаны той же эндонуклеазой рестрикции, были вставлены в клетку-хозяина, ген эндонуклеазы рестрикции экспрессируется путем применения тепла. [ 4 ] или путем введения биомолекулы, такой как арабиноза. [ 5 ] При экспрессии фермент расщепляет плазмиду в соответствующем сайте узнавания, создавая липкие концы на плазмиде. Затем лигазы соединяют липкие концы с соответствующими липкими концами чужеродных фрагментов ДНК, создавая рекомбинантную ДНК-плазмиду.
Достижения в области генной инженерии сделали модификацию генов микробов весьма эффективной, что позволяет создавать конструкции примерно за несколько недель. Это также позволило модифицировать сам геном организма. В частности, при рекомбинации используются гены бактериофага лямбда . [ 6 ] Этот механизм, известный как рекомбинация , использует три белка Exo, Beta и Gam, которые создаются генами exo, bet и gam соответственно. двухцепочечной ДНК Exo представляет собой экзонуклеазу с активностью от 5' до 3'. Он разрезает двухцепочечную ДНК, оставляя 3'-выступы. Бета — это белок, который связывается с одноцепочечной ДНК и способствует гомологичной рекомбинации , способствуя отжигу между областями гомологии вставленной ДНК и хромосомной ДНК. Функция Gam заключается в защите вставки ДНК от разрушения нативными нуклеазами внутри клетки.
Приложения
[ редактировать ]Рекомбинантную ДНК можно создавать для самых разных целей. Используемые методы позволяют осуществлять специфическую модификацию генов, что позволяет модифицировать любую биомолекулу. Его можно спроектировать для лабораторных целей, где его можно будет использовать для анализа генов в данном организме. В фармацевтической промышленности белки можно модифицировать с помощью методов рекомбинации. Некоторые из этих белков включают человеческий инсулин . Рекомбинантный инсулин синтезируется путем вставки гена человеческого инсулина в кишечную палочку , которая затем производит инсулин для использования человеком. [ 7 ] [ 8 ] Другие белки, такие как гормон роста человека , [ 9 ] фактор VIII и вакцина против гепатита В производятся аналогичными способами. Рекомбинантную ДНК также можно использовать для диагностических методов, предполагающих использование метода ИФА . Это позволяет создавать антигены, а также присоединенные ферменты, чтобы распознавать различные субстраты или модифицировать их для биоиммобилизации. Рекомбинантная ДНК также отвечает за производство многих продуктов, используемых в сельскохозяйственной промышленности. Генетически модифицированные продукты , такие как золотой рис , [ 10 ] был разработан для увеличения производства витамина А для использования в обществах и культурах, где в рационе витамина А недостаточно. Другие свойства, которые были введены в сельскохозяйственные культуры, включают устойчивость к гербицидам. [ 11 ] и устойчивость к насекомым. [ 12 ]
Сайт-направленный мутагенез
[ редактировать ]Сайт-направленный мутагенез — это метод, существующий с 1970-х годов. Первые дни исследований в этой области привели к открытиям о способности некоторых химических веществ, таких как бисульфит и аминопурин, изменять определенные основания в гене. Эти исследования продолжались, и были разработаны другие процессы для создания определенных нуклеотидных последовательностей в гене, такие как использование ферментов рестрикции для фрагментации определенных вирусных цепей и использования их в качестве праймеров для бактериальных плазмид. Современный метод, разработанный Майклом Смитом в 1978 году, использует олигонуклеотид, который комплементарен бактериальной плазмиде с несовпадением одной пары оснований или серией несовпадений. [ 13 ]
Общая процедура
[ редактировать ]Сайт-направленный мутагенез — ценный метод, позволяющий заменить одно основание в олигонуклеотиде или гене. Основы этого метода включают подготовку праймера, который будет комплементарной цепью бактериальной плазмиды дикого типа. Этот праймер будет иметь несовпадение пар оснований в том месте, где желательна замена. Праймер также должен быть достаточно длинным, чтобы он мог отжигаться с плазмидой дикого типа. После отжига праймера ДНК-полимераза завершит его работу. Когда бактериальная плазмида реплицируется, мутированная цепь также будет реплицироваться. Тот же метод можно использовать для создания вставки или удаления гена. Часто вместе с интересующей модификацией встраивают ген устойчивости к антибиотику, и бактерии культивируют на среде с антибиотиком. Бактерии, которые не подверглись успешной мутации, не выживут на этой среде, и мутировавшие бактерии можно легко культивировать.
Приложения
[ редактировать ]Сайт-направленный мутагенез может быть полезен по разным причинам. Замена одной пары оснований приведет к изменению кодона , потенциально заменяя аминокислоту в белке. Мутагенез может помочь определить функцию белков и роль конкретных аминокислот. Если аминокислота вблизи активного центра мутирует, кинетические параметры могут резко измениться или фермент может вести себя по-другому. Другое применение сайт-направленного мутагенеза — замена аминокислотного остатка, находящегося далеко от активного центра, на остаток лизина или остаток цистеина . Эти аминокислоты облегчают ковалентное связывание фермента с твердой поверхностью, что позволяет повторно использовать фермент и использовать ферменты в непрерывных процессах. аминокислоты с неприродными функциональными группами (например, альдегид, введенный через альдегидную метку ). Иногда к белкам добавляют [ 14 ] Эти добавления могут быть предназначены для облегчения биоконъюгации или для изучения влияния изменений аминокислот на форму и функцию белков. Одним из примеров использования мутагенеза является сочетание сайт-направленного мутагенеза и ПЦР для снижения активности интерлейкина-6 в раковых клетках. [ 15 ] В другом примере Bacillus subtilis используется в сайт-направленном мутагенезе для секреции фермента субтилизина через клеточную стенку. [ 16 ] Биомолекулярные инженеры могут целенаправленно манипулировать этим геном, чтобы превратить клетку в фабрику по производству любого белка, вставленного в генный код.
Биоиммобилизация и биоконъюгация
[ редактировать ]Биоиммобилизация и биоконъюгация — это целенаправленное манипулирование подвижностью биомолекулы химическими или физическими средствами для получения желаемого свойства. Иммобилизация биомолекул позволяет использовать характеристики молекулы в контролируемых средах. Например [ 17 ] Иммобилизация глюкозооксидазы на шариках геля альгината кальция может быть использована в биореакторе. Полученный продукт не потребует очистки для удаления фермента, поскольку он останется связанным с гранулами в колонке. Примерами типов иммобилизованных биомолекул являются ферменты, органеллы и целые клетки. Биомолекулы можно иммобилизовать с помощью ряда методов. Наиболее популярными являются физический захват, адсорбция и ковалентная модификация.
- Физическая ловушка [ 18 ] - использование полимера для содержания биомолекулы в матрице без химической модификации. Захват может происходить между решетками полимера, известный как захват гелем, или внутри микрополостей синтетических волокон, известный как захват волокна. Примеры включают улавливание ферментов, таких как глюкозооксидаза, в колонке с гелем для использования в качестве биореактора . Важной характеристикой захвата является то, что биокатализатор остается структурно неизмененным, но создает большие диффузионные барьеры для субстратов.
- Адсорбция – иммобилизация биомолекул за счет взаимодействия биомолекулы с группами на носителе. Это может быть физическая адсорбция, ионная связь или хелатирование связывания металлов. Такие методы могут быть реализованы в мягких условиях и относительно просты, хотя связи сильно зависят от pH, растворителя и температуры. Примеры включают иммуноферментные анализы.
- Ковалентная модификация включает химические реакции между определенными функциональными группами и матрицей. Этот метод образует стабильный комплекс между биомолекулой и матрицей и подходит для массового производства. Из-за образования химической связи с функциональными группами может произойти потеря активности. Примерами используемых химических веществ являются соединение DCC. [ 19 ] Соединение PDC и соединение EDC/NHS, все из которых используют преимущества реакционноспособных аминов на поверхности биомолекулы.
Поскольку иммобилизация ограничивает биомолекулу, необходимо позаботиться о том, чтобы функциональность не была полностью потеряна. Переменными, которые следует учитывать, являются pH, [ 20 ] температура, выбор растворителя, ионная сила, ориентация активных центров вследствие сопряжения. Для ферментов конъюгация снижает кинетическую скорость из-за изменения трехмерной структуры, поэтому необходимо соблюдать осторожность, чтобы не потерять функциональность. Биоиммобилизация используется в таких технологиях, как диагностические биоанализы , биосенсоры , ИФА и биосепарации. Интерлейкин (IL-6) также можно биоиммобилизовать на биосенсорах. Возможность наблюдать эти изменения уровней IL-6 важна для диагностики заболевания. У больного раком уровень IL-6 повышен, и мониторинг этого уровня позволит врачу следить за развитием заболевания. Прямая иммобилизация IL-6 на поверхности биосенсора предлагает быструю альтернативу ИФА . [ 21 ]
Полимеразная цепная реакция
[ редактировать ]Полимеразная цепная реакция (ПЦР) — это научный метод, который используется для репликации фрагмента молекулы ДНК на несколько порядков. ПЦР реализует цикл повторяющегося нагревания и охлаждения, известный как термоциклирование, вместе с добавлением ДНК-праймеров и ДНК-полимераз для избирательной репликации ДНК интересующего фрагмента . Методика была разработана Кэри Маллисом в 1983 году во время работы в корпорации Cetus . В 1993 году Маллис получил Нобелевскую премию по химии в результате влияния, которое ПЦР оказала во многих областях, таких как клонирование ДНК , секвенирование ДНК и анализ генов. [ 22 ]
Методы биомолекулярной инженерии, используемые в ПЦР
[ редактировать ]Ряд стратегий биомолекулярной инженерии сыграли очень важную роль в развитии и практике ПЦР . Например, решающим шагом в обеспечении точной репликации желаемого фрагмента ДНК является создание правильного праймера ДНК . Наиболее распространенным методом синтеза праймеров является фосфорамидитный метод. Этот метод включает биомолекулярную инженерию ряда молекул для достижения желаемой последовательности праймера. Наиболее известным методом биомолекулярной инженерии, используемым в этом методе создания праймеров , является первоначальная биоиммобилизация нуклеотида на твердой основе. Этот этап обычно выполняется посредством образования ковалентной связи между 3'-гидроксигруппой первого нуклеотида праймера и материалом твердого носителя. [ 23 ]
Более того, по мере создания праймера ДНК определенные функциональные группы нуклеотидов, добавляемые к растущему праймеру, требуют блокирования для предотвращения нежелательных побочных реакций. Это блокирование функциональных групп, а также последующее разблокирование групп, связывание последующих нуклеотидов и возможное отщепление от твердой основы. [ 23 ] Все методы манипуляции биомолекулами можно отнести к биомолекулярной инженерии. Увеличение уровня интерлейкинов прямо пропорционально увеличению смертности больных раком молочной железы. ПЦР в сочетании с вестерн-блоттингом и ИФА помогают определить взаимосвязь между раковыми клетками и IL-6. [ 24 ]
Иммуноферментный анализ (ИФА)
[ редактировать ]Иммуноферментный анализ — это анализ, в котором используется принцип распознавания антитело - антиген для проверки наличия определенных веществ. Три основных типа тестов ELISA : непрямой ELISA , сэндвич- ELISA и конкурентный ELISA - все основаны на том факте, что антитела обладают сродством только к одному специфическому антигену . Кроме того, эти антигены или антитела могут быть присоединены к ферментам , которые могут реагировать с получением колориметрического результата, указывающего на присутствие антитела или антигена . интересующего [ 25 ] Иммуноферментные анализы чаще всего используются в качестве диагностических тестов для обнаружения антител к ВИЧ в образцах крови для тестирования на ВИЧ, молекул хорионического гонадотропина человека в моче для выявления беременности и к микобактериям туберкулеза антител в крови для тестирования пациентов на туберкулез. Кроме того, ELISA также широко используется в качестве токсикологического скрининга для проверки сыворотки людей на наличие запрещенных наркотиков.
Методы, используемые в ИФА
[ редактировать ]Хотя существует три различных типа твердотельных твердотельных иммуноферментных анализов , все три типа начинаются с биоиммобилизации антитела или антигена на поверхности. Эта биоиммобилизация является первым примером биомолекулярной инженерии, который можно увидеть в реализации ИФА . Этот этап можно выполнить несколькими способами, включая ковалентную связь с поверхностью, которая может быть покрыта белком или другим веществом. Биоиммобилизацию также можно осуществлять посредством гидрофобных взаимодействий между молекулой и поверхностью. Поскольку существует множество различных типов ИФА, используемых для разных целей, биомолекулярная инженерия, необходимая на этом этапе, варьируется в зависимости от конкретной цели ИФА .
Другой метод биомолекулярной инженерии, который используется при ELISA, разработке - это биоконъюгация фермента с антителом или антигеном в зависимости от типа ELISA . необходимо многое учитывать этого фермента При биоконъюгации , например, избегать вмешательства в активный центр фермента , а также в сайт связывания антитела в случае, если антитело конъюгируется с ферментом . Эта биоконъюгация обычно осуществляется путем создания поперечных связей между двумя интересующими молекулами и может потребовать широкого спектра различных реагентов в зависимости от природы конкретных молекул. [ 26 ]
Интерлейкин (IL-6) представляет собой сигнальный белок, который, как известно, присутствует во время иммунного ответа. Использование ИФА сэндвич-типа позволяет количественно определить присутствие этого цитокина в образцах спинномозговой жидкости или костного мозга. [ 27 ]
Приложения и поля
[ редактировать ]В промышленности
[ редактировать ]Биомолекулярная инженерия — обширная дисциплина, имеющая применение во многих различных отраслях и областях. Таким образом, трудно определить общий взгляд на профессию биомолекулярного инженера. Однако биотехнологическая отрасль обеспечивает адекватное представительство. Биотехнологическая отрасль, или биотехнологическая индустрия, охватывает все фирмы, которые используют биотехнологии для производства товаров или услуг или для проведения биотехнологических исследований и разработок. [ 28 ] Таким образом, он охватывает многие промышленные применения дисциплины биомолекулярной инженерии. Анализируя биотехнологическую отрасль, можно сделать вывод, что основным лидером отрасли являются США, за ними следуют Франция и Испания. [ 28 ] Верно также и то, что биотехнологическая промышленность и применение биомолекулярной инженерии ориентированы прежде всего на клиническую и медицинскую сферу. Люди готовы платить за хорошее здоровье, поэтому большая часть денег, направляемых в биотехнологическую промышленность, остается в предприятиях, связанных со здоровьем. [ нужна ссылка ]
Масштабирование
[ редактировать ]Масштабирование процесса предполагает использование данных экспериментального производства (модельной или пилотной установки) для проектирования крупной (увеличенной) установки коммерческого размера. Расширение масштабов является важной частью коммерциализации процесса. Например, инсулин, производимый генетически модифицированными бактериями Escherichia coli , был инициализирован в лабораторных масштабах, но для того, чтобы сделать его коммерчески жизнеспособным, его необходимо было вывести на промышленный уровень. Чтобы добиться такого масштабирования, пришлось использовать большой объем лабораторных данных для проектирования установок коммерческого размера. Например, один из этапов производства инсулина включает кристаллизацию инсулина гларгин высокой чистоты. [ 30 ] Чтобы реализовать этот процесс в больших масштабах, мы хотим сохранить одинаковое соотношение мощности/объема как в лабораторных, так и в крупномасштабных кристаллизаторах, чтобы добиться однородного смешивания. [ 31 ] Мы также предполагаем, что лабораторный кристаллизатор имеет геометрическое сходство с крупномасштабным кристаллизатором. Поэтому,
P/V α N i 3 dИз 3
где d i = диаметр крыльчатки кристаллизатора
N i = скорость вращения рабочего колеса
Связанные отрасли
[ редактировать ]Биоинженерия
[ редактировать ]Широкий термин, охватывающий всю технику, применяемую в науках о жизни. Эта область исследований использует принципы биологии наряду с принципами инженерии для создания рыночных продуктов. Некоторые биоинженерии приложения включают:
- Биомиметика — изучение и разработка синтетических систем, имитирующих форму и функции природных биологических веществ и процессов.
- Биотехнологическая инженерия — изучение и разработка технологического оборудования и оптимизация, которая помогает в производстве многих продуктов, таких как продукты питания и фармацевтические препараты .
- Промышленная микробиология — внедрение микроорганизмов в производство промышленных продуктов, таких как продукты питания и антибиотики . Другим распространенным применением промышленной микробиологии является очистка сточных вод на химических заводах путем использования определенных микроорганизмов .
Биохимия
[ редактировать ]Биохимия — это изучение химических процессов в живых организмах, включая, помимо прочего, живую материю. Биохимические процессы управляют всеми живыми организмами и жизненными процессами, и область биохимии стремится понять эти процессы и управлять ими.
Биохимическая инженерия
[ редактировать ]- Биокатализ – химические превращения с использованием ферментов .
- Биосепарация – разделение биологически активных молекул.
- Термодинамика и кинетика (химия) – анализ реакций, связанных с ростом клеток и биохимическими веществами.
- Проектирование и анализ биореакторов – Проектирование реакторов для проведения биохимических превращений.
Биотехнология
[ редактировать ]- Биоматериалы . Разработка, синтез и производство новых материалов для поддержки клеток и тканей.
- Генная инженерия – целенаправленное манипулирование геномами организмов для создания новых фенотипических признаков.
- Биоэлектроника , биосенсор и биочип — инженерные устройства и системы для измерения, мониторинга и контроля биологических процессов.
- Биотехнологическая инженерия — разработка и обслуживание клеточных и ферментных процессов для производства тонких химикатов и фармацевтических препаратов.
Биоэлектрическая инженерия
[ редактировать ]Биоэлектрическая инженерия предполагает использование электрических полей, генерируемых живыми клетками или организмами. Примеры включают электрический потенциал , возникающий между мышцами или нервами тела. Эта дисциплина требует знаний в области электричества и биологии, чтобы понять и использовать эти концепции для улучшения текущих биопроцессов или технологий.
- Биоэлектрохимия - химия, связанная с транспортом электронов / протонов по клетке.
- Биоэлектроника - область исследований, объединяющая биологию и электронику.
Биомедицинская инженерия
[ редактировать ]Биомедицинская инженерия — это подкатегория биоинженерии , которая использует многие из тех же принципов, но больше фокусируется на медицинском применении различных инженерных разработок. Некоторые применения биомедицинской инженерии включают:
- Биоматериалы - Разработка новых материалов для имплантации в организм человека и анализ их воздействия на организм.
- Клеточная инженерия - создание новых клеток с использованием рекомбинантной ДНК и разработка процедур, позволяющих нормальным клеткам прикрепляться к искусственно имплантированным биоматериалам.
- Тканевая инженерия - создание новых тканей из основных биологических строительных блоков для формирования новых тканей.
- Искусственные органы . Применение тканевой инженерии к целым органам.
- Медицинская визуализация — визуализация тканей с помощью компьютерной томографии , МРТ , ультразвука , рентгена или других технологий.
- Медицинская оптика и лазеры – Применение лазеров для медицинской диагностики и лечения.
- Реабилитационная инженерия - Разработка устройств и систем, используемых для помощи людям с ограниченными возможностями.
- Человеко-машинный интерфейс. Управление хирургическими роботами и системами удаленной диагностики и терапии с использованием отслеживания глаз, распознавания голоса и управления мышечными и мозговыми волнами.
- Человеческий фактор и эргономика . Разработка систем для улучшения работоспособности человека в широком спектре применений.
Химическая инженерия
[ редактировать ]Химическая технология – это переработка сырья в химическую продукцию. Он включает подготовку сырья для производства реагентов, химическую реакцию этих реагентов в контролируемых условиях, разделение продуктов, переработку побочных продуктов и утилизацию отходов. Каждый этап включает в себя определенные основные строительные блоки, называемые «единичными операциями», такие как экстракция, фильтрация и дистилляция. [ 32 ] Эти единичные операции встречаются во всех химических процессах. Биомолекулярная инженерия — это разновидность химической инженерии, которая применяет те же принципы к обработке химических веществ, производимых живыми организмами.
Образование и программы
[ редактировать ]Недавно разработанные и предлагаемые программы бакалавриата в Соединенных Штатах, часто в сочетании с программой химического машиностроения, позволяют студентам получить степень бакалавра наук . Согласно ABET (Совет по аккредитации инженерии и технологий), учебные программы по биомолекулярной инженерии «должны обеспечивать глубокие знания фундаментальных наук, включая химию, физику и биологию, с некоторым содержанием на продвинутом уровне… [и] инженерное применение этих фундаментальных наук для проектирование, анализ и контроль химических, физических и/или биологических процессов». [ 33 ] Общие учебные программы состоят из основных инженерных курсов, включая транспорт, термодинамику, разделение и кинетику, с добавлением курсов наук о жизни, включая биологию и биохимию, а также специализированных биомолекулярных курсов, посвященных клеточной биологии, нано- и биотехнологии, биополимерам и т. д. [ 34 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Штайнерт, Дэвид (2000) История медицины Второй мировой войны: «История медицины Великой Отечественной войны» . Архивировано из оригинала 13 апреля 2010 г. Проверено 12 апреля 2012 г.
- ^ Рю, DDY; Нам, Д.-Х. (2000). «Последние достижения в биомолекулярной инженерии». Биотехнология. Прог . 16 (1): 2–16. дои : 10.1021/bp088059d . ПМИД 10662483 . S2CID 31446269 .
- ^ Слабо, Майкл Р. и Сигер, Спенсер Л. (2007). Органика и биохимия сегодня (6-е изд.). Пасифик Гроув: Брукс Коул. ISBN 978-0-495-11280-8 .
- ^ Редди, ОД (2000). Технология рекомбинантной ДНК: Лабораторное руководство . Нью-Дели: союзные издатели. стр. 65–80.
- ^ Даценко К.А. ; Ваннер, Б.Л. (6 июня 2000 г.). «Одноэтапная инактивация хромосомных генов Escherichia coli K-12 с помощью продуктов ПЦР» . ПНАС . 97 (12): 6640–6645. Бибкод : 2000PNAS...97.6640D . дои : 10.1073/pnas.120163297 . ЧВК 18686 . ПМИД 10829079 .
- ^ Шаран, Канзас ; Томасон, округ Колумбия ; Кузнецов, С.Г. ; Корт, Д.Л. (29 января 2009 г.). «Рекомбинация: метод генной инженерии, основанный на гомологичной рекомбинации» . Протоколы природы . 4 (2): 206–223. дои : 10.1038/nprot.2008.227 . ПМК 2790811 . ПМИД 19180090 .
- ^ Гуаланди-Синьорини, А.; Георгий, Г. (2001). «Составы инсулина - обзор». Европейский обзор медицинских и фармакологических наук . 5 (3): 73–83. ПМИД 12004916 .
- ^ «Инсулин человеческий» .
- ^ Фон Фанге, Т.; МакДиармид, Т.; МакКлер, Л.; Золотор, А. (2008). «Клинические исследования: может ли рекомбинантный гормон роста эффективно лечить идиопатическую низкорослость?». Журнал семейной практики . 57 (9): 611–612. ПМИД 18786336 .
- ^ Йе, Х .; Аль-Бабили, С. ; Клёти, А. ; Чжан, Дж . ; Лукка, П. ; Бейер, П. (2000). «Разработка пути биосинтеза провитамина А (бета-каротина) в (без каротиноидов) эндосперма риса». Наука . 287 (5451): 303–305. Бибкод : 2000Sci...287..303Y . дои : 10.1126/science.287.5451.303 . ПМИД 10634784 . S2CID 40258379 .
- ^ Функе, Т.; Хан, Х.; Хили-Фрид, М.; Фишер, М.; Шенбрунн, Э. (2006). «Молекулярная основа устойчивости к гербицидам культур, готовых к Раундапу» . Труды Национальной академии наук . 103 (35): 13010–13015. Бибкод : 2006PNAS..10313010F . дои : 10.1073/pnas.0603638103 . ПМЦ 1559744 . ПМИД 16916934 .
- ^ Пейн, JA ; Шиптон, Калифорния ; Чаггер, С .; Хауэллс, РМ ; Кеннеди, MJ ; Вернон, Дж .; Райт, Южная Дакота ; Хинчлифф, Э. (2005). «Улучшение пищевой ценности золотого риса за счет увеличения содержания провитаминов». Природная биотехнология . 23 (4): 482–487. дои : 10.1038/nbt1082 . ПМИД 15793573 . S2CID 632005 .
- ^ Хатчисон Калифорния, 3-й; Филлипс, С; Эджелл, Миннесота; Гиллам, С; Янке, П; Смит, М. (сентябрь 1978 г.). «Мутагенез в определенном положении последовательности ДНК» (PDF) . Ж. Биол. Хим . 253 (18): 6551–60. дои : 10.1016/S0021-9258(19)46967-6 . ПМИД 681366 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Пэн Вуа, Вэньцин Шуя, Брайан Л. Карлсона, Нэнси Хуа, Дэвид Рабукаа, Джулия Лиа и Кэролин Р. Бертоцци (2009). «Сайт-специфическая химическая модификация рекомбинантных белков, продуцируемых в клетках млекопитающих, с использованием генетически кодируемой альдегидной метки». Учеб. Натл. акад. Sci USA 106 (9): 3000-5. https://doi.org/10.1073/pnas.0807820106
- ^ Бракони, К.; Хуанг, Н.; Патель, Т. (2010). «МикроРНК-зависимая регуляция ДНК-метилтрансферазы-1 в злокачественных холангиоцитах человека. Гепатология». Гепатология. стр. 881-890.
- ^ Янгман, ПиДжей; Перкинс, Дж. Б.; Лосик, Р. (1983). «Генетическая транспозиция и инсерционный мутагенез в Bacillus subtilis с транспозоном Tn917 Streptococcus faecalis» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 80 (8): 2305–9. Бибкод : 1983PNAS...80.2305Y . дои : 10.1073/pnas.80.8.2305 . ПМЦ 393808 . ПМИД 6300908 .
- ^ Накао, Кацуми; Кифнер, Андреас; Фурумото, Кейджи; Харада, Цуёси (1997). «Производство глюконовой кислоты с иммобилизованной глюкозооксидазой в эрлифтных реакторах». Химико-техническая наука . 52 (21–22): 4127–4133. Бибкод : 1997ЧЭнС..52.4127Н . дои : 10.1016/s0009-2509(97)88932-4 .
- ^ Хинберг; Капулас, А.; Корус, Р.; О'Дрисколл, К. (1974). «Захват ферментов гелем: кинетические исследования иммобилизованной глюкозооксидазы». Биотехнология и биоинженерия . 16 (2): 159–168. дои : 10.1002/бит.260160202 . ПМИД 4817138 . S2CID 5997852 .
- ^ Чжан Я-Тао, Чжи, Тянь-Тянь, Чжан, Линь, Хуан, Хэ, Чен, Хуан-Линь. (2009). «Иммобилизация карбоангидразы путем внедрения и ковалентного связывания в нанокомпозитный гидрогель, содержащий гидротальцит». Полимер Том 50, Выпуск 24; стр. 5693-5700.
- ^ Чжоу, Куинн З.К.; Чен, Сяо Донг (2001). «Влияние температуры и pH на каталитическую активность иммобилизованной β-галактозидазы из Kluyveromyces Lactis». Журнал биохимической инженерии . 9 (1): 33–40. дои : 10.1016/s1369-703x(01)00118-8 .
- ^ Чао; Чаунг; Ву (2010). «Количественное определение интерлейкина-6 в среде клеточной культуры с использованием биосенсоров поверхностного плазмонного резонанса». Цитокин . 51 (1): 107–111. дои : 10.1016/j.cyto.2010.04.004 . ПМИД 20430640 .
- ^ Бартлетт, Джон М.С., изд. (2003). Протоколы ПЦР (2-е изд.). Тотова, Нью-Джерси: Humana Press. стр. 3–6. ISBN 978-0896036277 .
- ^ Перейти обратно: а б Окорр, Марси Осгуд, Карен (2008). Абсолютное и окончательное руководство по «Принципам биохимии Ленингера: учебное пособие и руководство по решениям» (5-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 978-1429212410 .
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Салливан, Н.; Сассер, А.; Аксель, А.; Весуна, Ф.; Раман, В.; Рамирес, Н.; Оберишин Т.; Холл, Б. (2009). «Интерлейкин-6 индуцирует фенотип эпителиально-мезенхимального перехода в клетках рака молочной железы человека» . Онкоген . 28 (33): 2940–2947. дои : 10.1038/onc.2009.180 . ПМК 5576031 . ПМИД 19581928 .
- ^ Лекин, РМ (декабрь 2005 г.). «Имуноферментный анализ (ИФА)/иммуноферментный анализ (ИФА)» . Клиническая химия . 51 (12): 2415–8. дои : 10.1373/clinchem.2005.051532 . ПМИД 16179424 .
- ^ Хермансон, Грег Т. (1995). Биоконъюгатные методы ([2. Др.]. Изд.). Сан-Диего: Академик. ISBN 978-0123423368 .
- ^ Китантани, К. ; Шелдон, К .; Анелли, В .; Дженкинс, Р .; Сан, Ю .; Грабовский, Г .; Обейд, Л. ; Ханнун, Ю. (2009). «Кислотная β-глюкозидаза 1 противодействует p38δ-зависимой индукции интерлейкина-6» . Журнал биологической химии . 284 (19): 12979–12988. дои : 10.1074/jbc.m809500200 . ПМК 2676030 . ПМИД 19279008 .
- ^ Перейти обратно: а б с Организация экономического сотрудничества и развития. Ключевые показатели биотехнологии: биотехнологические компании. http://www.oecd.org/document/30/0,3746,en_2649_34451_40146462_1_1_1_1,00.html (по состоянию на 10 апреля 2012 г.).
- ^ Организация экономического сотрудничества и развития. Ключевые показатели биотехнологии: Применение биотехнологий. http://www.oecd.org/document/30/0,3746,en_2649_34451_40146462_1_1_1_1,00.html (по состоянию на 10 апреля 2012 г.).
- ^ Мендельсон, Йенс-Петер. «Биотехнологический завод по производству инсулина» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 12 июня 2013 года . Проверено 12 апреля 2012 г.
- ^ Харрисон, Роджер Г. (2003). Биоразделение науки и техники . Тодд, Пол, Радж, Скотт Р., Петридес, Деметри, П. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. стр. 284–285. ISBN 978-0-19-512340-1 .
- ^ Ауян, Санни, Ю. «Почему химическая технология возникла в Америке, а не в Германии» . Федеральный технологический институт . Проверено 11 апреля 2012 г.
{{cite web}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ «Критерии аккредитации инженерных программ» . АБЕТ . Архивировано из оригинала 18 апреля 2012 г. Проверено 11 апреля 2012 г.
- ^ «Бакалавр наук по биомолекулярной инженерии» . Инженерная школа Милуоки. Архивировано из оригинала 20 апреля 2012 г. Проверено 11 апреля 2012 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Биомолекулярная инженерия на интерфейсах (статья)
- Недавний прогресс в биомолекулярной инженерии
- Биомолекулярные датчики ISBN 074840791X (алк. бумага)