Endüstriyel Biyoteknoloji: Endüstriyel Biyoteknolojiye Giriş ve Uygulamaları

Endüstriyel Biyoteknoloji: Endüstriyel Biyoteknolojiye Giriş ve Uygulamaları!

Biyoteknolojinin endüstriyel uygulamalarının ilk ifadesi, bira, şarap, peynir, ekmek ve diğer fermente ürünlerin üretiminde bulundu.

Yıllar boyunca, bu tür uygulamalar gıda, kimya ve ilaç endüstrisinde çok geniş bir ürün yelpazesini içerecek şekilde genişlemiştir. Genetik mühendisliği ve moleküler biyoloji, sadece bir dizi ürünün geliştirilmesinde değil, aynı zamanda yeni ve daha etkili biyoproseslerin tanıtılmasında da paha biçilmezdir.

Biyoteknoloji ve Tıp:

Biyoteknolojinin kullanımı tıp alanında yepyeni bir olasılıklar dünyasını açtı. Bu geniş uygulama yelpazesi, tıp alanında da büyük potansiyel yarattı. Örneğin, onkogenlerde, meme, kolon, bronş, yemek borusu ve prostrat malignitelerini tanımlamak için çeşitli 'genetik markerler' geliştirilmiştir. Hafızanın ve anormal davranışların başarısızlığına yol açan birçok psikiyatrik bozukluk, şimdi gen baskılanması veya aktivasyonu ışığında anlaşılmaktadır.

Bunlar Alzheimer hastalığı ve Şizofreni gibi bunamaları içerir (ikincisi tek bir anormal gen tarafından yapılır). Biyoteknoloji ayrıca doğurganlık kontrolü için muazzam bir potansiyele sahiptir. Güvenli organ nakli ve vücudun bağışıklık sisteminin manipülasyonu da mümkün olmuştur. Tasarımcı ilaçlar, ayrı ayrı genlerin tamamını veya bir kısmını manipüle etmek ve spesifik eylemleri bastırmak veya indüklemek için özel olarak tasarlanmış başka bir gelişmedir.

Biyoteknolojinin tıptaki diğer uygulamalarından bazıları:

Antibiyotikler:

Antibiyotik üretimi, ilaç endüstrisinin en karlı kısmıdır. Yüzden fazla antibiyotik şu anda kullanımda ve birçok korkunç bakteriyel hastalık kontrol altına alındı. Ana antibiyotik grupları arasında penisilin, tetrasiklin, sefalosporin ve eritromisin bulunur.

Penisilin 1928'de Fleming tarafından keşfedildi ve 1944'te Howard tarafından Penicillium notatum adlı bir mantardan sonra Pchrysogenum'dan geliştirildi. Penicillium, hücrelerin büyümesini durduğunda en fazla miktarda penisilin üretir.

Penisilin fermentasyonu maksimum verim için yedi ila sekiz gün gerektirir. Mantar Cephlosporium, penisiline dirençli hale gelen bu bakterileri bile öldürebilen bir antibiyotik olan Sefalosporin C'nin üretiminde kullanılır. Streptomisin, filamentöz mikrop Streptomyces griseus'tan keşfedildi ve üretildi.

Bu gibi genler doğrudan antibiyotik kodlamaz. Birçoğu, enzimler tarafından katalizlenen bir dizi kimyasal reaksiyondan sonra hücre içinde üretilir. Enzimler spesifik genlerin talimatlarından toplanır ve yeni antibiyotikler üretmek için hücreler kullanılabilir. Hücre füzyonu, yeni genlerin kombinasyonunun üretilmesine izin verir.

Hücrelere yeni antibiyotikler yapma talimatı verebilen genler, hücrenin kendisinde bulunabilir, ancak eksprese edilemezler. Bu hücrelerin kaynaştırılmasıyla, bu gen aktifleştirilebilir, yeni enzimler sentezlenir ve ortaya çıkan mikroplar yeni antibiyotikler üretebilir.

Antikorlar:

Vücutta bakteri, mantar veya virüs istilası olduğunda, kan ve lenf bezleri bir savunma mekanizması olarak antikorlar üretir. Bu antikorlar (veya immünoglobülin) yabancı maddeleri (veya antijenleri) tanımlar ve kendilerini yabancı maddeye bağlar. Vücutta milyonlarca farklı tipte antikor vardır ve her birinin kendine özgü bir yapısı vardır. Bir antikor aynı konfigürasyonda bir yabancı maddeyle karşılaşırsa, ikisi birlikte kilitlenir.

Antijenler farelere, tavşanlara, keçilere veya atlara implante edildiğinde, birçok B lenfositleri antijene bağlanır ve antijene antikor olarak bir dizi farklı immünoglobülin üretilir. Bu nedenle, belirli bir antijene doğru üretilen toplam antikorlar, farklı B lenfositlerden türetilen birçok klon tarafından üretildi ve poliklonal olarak adlandırıldı. Monoklonal antikorlar, tek bir B lenfositten türetilen hücre klonundan üretilir. Bu özdeş antikorlar tamamen aynı antijeni tanır.

Terapötik Uygulamalar:

Belirli bir kanser hücresi türüne karşı geliştirilen monoklonal antikorlar, kanserli hücreler vücuda yabancı olarak kabul edildiğinden tümörün gerilemesine neden olabilir. Monoklonal antikorlar, bir tümöre saldırmaya başlamak için hastanın bağışıklık sistemini tetikleyebilir. Spesifik kanserli antijenlere karşı hedeflenen monoklonal antikorlara fizyolojik olarak bağlanmış anti-kanser ilaçları, doğrudan maligniteye karşı da uygulanabilir.

Otoimmün rahatsızlığı:

Bu hastalık vücudun kendi antijenlerine toleransında bir bozulmaya neden olur, çünkü B ve T hücrelerinin her ikisi de kendi doku antijenlerine karşı reaksiyona girer. Romatizmal ateşde vücut, kalpteki dokulara ve enfeksiyon sonrası eklemlere karşı bağışıklık kazanır. T hücresi antijenine karşı monoklonal antikorlar şimdi birçok otoimmün hastalığı incelemek ve tedavi etmek için kullanılmaktadır.

Hastalık Riskinin Tahmini:

Hücre yüzeyindeki (insan lökositlerininkiler gibi) belirli antijenler, romatoid artrit gibi hastalıkların görülme riski ile ilişkilendirilmiştir. Böylece, bu antijenlerin monoklonal antikorlar kullanarak erken tanınması uygun önleyici tedbirleri kolaylaştırabilir.

Hamilelik testi:

Döllenme ve implantasyondan sonra, fetal plasental birim, hormon üreten endokrin bir bez olarak işlev görür. Bunlar, gebe kalmanın üç günü içinde üretilen ve yedi gün içinde monoklonal antikorlar tarafından kolayca saptanabilen bir seviyeye ulaşan insan koryonik gonadotropik hormonunu içerir. Geliştirilen kitler gebeliği, gebe kalmadan onbirinci güne kadar erken doğrulamak için kullanılır.

Tıbbi ve Terapötik Kullanım İçin Rekombinant Proteinlerin Geliştirilmesi:

Rekombinant proteinleri ifade etmek için farklı ekspresyon sistemleri kullanılır. Bu ekspresyon sistemleri maya, bakteri, böcek veya viral kökenli olabilir. Prokaryotik ekspresyon vektörleri, ökaryotik proteinleri sentezlemek için uygun bir sistem sağlar, ancak proteinler, immünojenik özelliklerin, 3D konformasyonun ve normal ökaryotik proteinlerin sergilediği diğer özelliklerin çoğundan yoksun olabilir.

Memeli, amfibi, bitki, böcek ve maya içeren ökaryotik ekspresyon sistemleri bu sınırlamaların çoğunun üstesinden gelir. Memeli hücresi ekspresyon sistemi, eksprese edilen rekombinant proteinin büyüklüğü ve protein ekspresyon indüksiyonu mekanizması dahil olmak üzere rekombinant proteinlerin saflaştırılmasında zorlanır. Bu sınırlamaların birçoğu böcek ve maya hücrelerinden ekspresyon sistemleri kullanılarak aşılabilir.

İnsülin, interferonlar, aşılar, kan proteinleri ve büyüme faktörleri genetik olarak işlenmiş mikroplar kullanılarak üretilen birçok madde arasındadır. Genetik mühendislik veya rekombinant DNA teknolojisi veya genetik manipülasyon, genlerin bir organizmadan diğerine aktarılmasını mümkün kılarak, hücrelerin hem ucuz hem de büyük miktarlarda normal olarak üretilemeyen malzemeleri üretmelerini sağlar.

Genetik manipülasyon yoluyla maddelerin üretimi, ürünü sentezleyebilen bir mikropa üretilecek proteini (ürünü) kodlayan genin yerleştirilmesini içerir. Oluşan ürün daha sonra toplanabilir.

Biyoteknolojinin ortaya çıkmasıyla, birçok hayati biyomedikal madde üretildi ve başarıyla uygulandı. Örneğin, orijinal penisilin G (benzil penisilin), mikroorganizmalara karşı nispeten dar bir aktivite spektrumuna sahiptir ve oral olarak verilemez.

Yarı sentetik penisilin üyeleri şimdi molekülün çeşitli bölgelerinde yan zincirin kimyasal veya biyolojik işlemle çıkarılması veya ikame edilmesi ile üretilir. Penisilin benzil penisilin'den farklıdır. Yan zincirinde daha geniş bir antibakteriyel menzili doğrulayan ve sözlü olarak verilebilecek ek bir amino gruba sahiptir. Yan zinciri parçalamak için kullanılan enzim, E.coli ve Aspergillus repins gibi çeşitli mikroplardan türetilen penisilin asilazdır.

Yeni İlaç Hedefleri ve Aşı Geliştirme:

Pek çok potansiyel ilaç hedefi zaten belirlenmiştir. Bunlara anahtar metabolik enzimler, büyüme faktörleri, hormonlar, verici maddeler, onkogen ürünler, nöropeptitler ve çeşitli reseptör proteinleri dahildir. RDNA teknolojisinin gücü, onları tamamen karakterize etmek için bu hedeflere yönlendirilebilir.

DNA analizi, klonlanmış hedef genlerin amino asit dizisini tahmin etmek için kullanılabilir ve proteinler, X ışını kristalografik lekeler için malzeme sağlamak için yeterli miktarlarda ifade edilebilir. Sahaya yönelik mutajenezin neden olduğu değişikliklerin etkisi yapı fonksiyonu açısından gösterilebilir. Bu tür bilgiler bilgisayar destekli ilaç tasarım programları için gereklidir.

Bu, rDNA yöntemlerinin başarılı olduğunu kanıtladığı başka bir alandır. Geçmişte aşı geliştirme, ürünlerin güvenliğini artırmak için zayıflatılmış veya öldürülmüş aşıları türetmek için ampirik yöntemler kullandı. Rekombinant yöntemler, araştırmacının aktif immünojen için geni konakçı organizmadan ayırmasını ve yüksek ifade seviyeleri için daha uygun ve iyi huylu bir sisteme sokmasını sağlar.

Örneklerden bazıları:

İnsülin:

Glikoz seviyelerini düzenleyen önemli bir hormondur.

Hemofilik Anti Faktörü:

İnsan kanından saflaştırılmış ve hemofili tedavisinde kullanılan önemli bir maddedir. Hemofiliakların AIDS virüsü ile enfeksiyonu nedeniyle eylem zorlaştı.

İnsan Serumu Albumin:

Yanık gibi şok yaralanmalarının tedavisinde en sık kullanılan kan proteinlerinden biridir.

Mühendislik Enzimleri:

Bu enzimler, kalp hastalıklarından böbrek yetmezliğine, bazı kalıtsal enzim eksikliklerine kadar bir dizi durumu tedavi etmek için kullanılır.

Sahada hızlı ilerlemeler yapılmakta ve yeni ufuklar birçok fizyolojik süreci izlemek için biyosensörler veya biyo elektrotlar gibi enzimlerin gelişimini içermektedir.

Yiyecek ve içecek endüstrisi:

ksilanazlar:

Enzimler, çeşitli organizmalarda bulunan biyolojik moleküllerdir. Mikroorganizmaların, endüstriyel açıdan önemli enzimlerin zengin bir kaynağı olduğu bulunmuştur. Böyle bir enzim, ksilanazdır. Genetik manipülasyon ile farklı ksilanaz tipleri tanımlanmış ve izole edilmiştir. Bunlar odun, kağıt hamuru ve selüloz gibi doğal lifler için sindirim enzimlerini içerir.

Ksilanazlar pişmiş ürünlerin kalitesini arttırmada çok olumlu bir rol oynamaktadır. Örneğin, belirli bir ksilanaz enzimi tanımlanmış ve bir mantar suşundan üretilmiştir (Aspergillus niger var awamori). Moleküler manipülasyonlar, bu enzimlerin üretim seviyesini yirmi ila kırk kat arttırmıştır. Bu enzim (EXLA) Unilever tarafından geliştirilmiştir ve piyasada serbest bir şekilde bulunmaktadır.

Flaxzyme olarak adlandırılan ksilanaz ve selülaz kaynağının, knaafın geri çekilmesinde kullanıldığında temiz bir lif ürettiği bulunmuştur. Ksilanaz üreten genlerin izole edilmiş ve civciv yemine indüklenen E.coli'ye yerleştirilmişlerdir. Bakteriler, tahılı parçalayan ve civcivin tahılı daha hızlı sindirmesini sağlayan ve böylece daha hızlı büyümeyi sağlayan ksilanaz üretir.

Et ürünlerini optimize etmek için yeni bir plazma protein bazlı jel oluşturucu materyal enzimatik olarak üretmek için başka bir çalışma yapıldı. TNO Şirketi, Fibrimex (fibrinojen, trombin ve transglutaminazın bir çözeltisidir) adında taze bir et bağlama sistemi geliştirdi ve bu da bir et kütlesi oluşturdu.

emülgatörler:

Akasya zamkı ağırlıklı olarak gıda endüstrisinde emülsifiye edici ve stabilizasyon özelliklerinden dolayı emülsifiye edici olarak kullanılır. Yeni moleküler araçlar kullanılarak, emülgatörler şimdi buğday, süt ve soya fasulyesinden elde edilen nişasta, pektin, şeker ve proteinler gibi kovalent olarak bağlı karbonhidratlardan sentezlenir.

Yerfıstığı Alerji Testi:

Yer fıstığı yedikten sonra birçok kişinin alerjik reaksiyon gösterdiği bulunmuştur. Bu sorunla mücadele etmek için, bu alerjinin nedenini belirlemek esastır. Bu amaçla, gıdalardaki yer fıstığı proteinlerini tespit etmek için bir Hollanda merkezli şirket tarafından oldukça hassas bir immünolojik analiz geliştirilmiştir. Bu, ticari uygulamalara sahip ilk fıstık tahlilidir.

Etkili İzleme:

Bilim adamları, gıdaların ve ilaçların ve kirletici maddelerin sindirilebilirlik, biyolojik dönüşüm ve biyobozunurluğunun güvenlik ve işlevsellik açısından ayrıntılı bir şekilde izlenmesi için çok yönlü gastrointestinal modeller geliştiriyor. Bu modeller (TIM-TNO - in vitro modeller) artık nutrasötik gıdaların sindirim etkisini incelemek için kullanılmaktadır.

Yüksek Yoğunluklu Tatlandırıcı:

Hoechst, Sunett ^TM adı altında yüksek yoğunluklu tatlandırıcı olan 'Aesulfamek'i geliştirdi. Etkinliği ve toksikolojik güvenlik testleri bu ürünü son derece etkili bir tatlandırıcı olarak kanıtlamıştır.

Kalsiyum alımı:

Biyoteknolojinin en önemli ve yenilikçi uygulamalarından biri, gıda maddemizdeki kalsiyum seviyesini arttırmaktır. Araştırmacılar, doğal olarak ortaya çıkan, düşük sindirilebilir bir oligosakarit olan oligo-fruktozun kalsiyum emilimini yüzde yirmi iki kadar arttırdığını göstermiştir. Bu tür çalışmalar, sağlık uygulamalarının yeni alanları ve yeni içerik sınıfları için taşkınları açabilir. Bu bulgular süt, ekmek, şekerleme ve içeceklerde yeni ürünler oluşturmak için kullanılabilir.

Mikroplardan Gıdalar:

Bira ve fırınlama uzun zamandır var olsa da, şu anda proseste genetik olarak saf soylar kullanıyoruz. Çalışmalar, her yıl yaklaşık 1, 5 milyon ton fırıncı mayasının (Saccharomyces cervisiae) üretildiğini göstermektedir. Modern bitkiler ayrıca fermantasyon sürecinde gereken süreyi aylardan günlere düşürmüştür. Benzer şekilde, mantar Aspergillus oryzae, çok çeşitli önemli enzimler üretmek için kullanılmaktadır.

Yenilebilir Mantarlar:

Rank Hons McDougall PLC & ICI (Zeneca) kısa süre önce Quorn myco-proteinini filamentöz bir mantar Fusarium graminecerarum'dan elde etti. Alınan büyük fermenterlerde yetişen misellerden elde edilir. Elde edilen son ürün et benzeri bir yapıya sahiptir ve en iyi test edilmiş yiyecek olduğu bildirilir. Quorn'un yıllık satışları yalnızca İngiltere’de 15 milyon lira civarında.

Endüstriyel Ürünler:

Yakın zamanda, selüloz enziminin, tekstil endüstrisinde kullanılan pomza taşlarının yerine taşlanmış kot üretmek için kullanabileceği keşfedilmiştir. Bu, sivilce taşının kumaşa neden olabileceği hasarı önlemeye yardımcı olacaktır. Selüloz enzimi aynı zamanda selüloz liflerinin yüzeyinden akıntıyı temizlediği için bir biyo-parlatıcı madde olarak da kullanılabilir.

Proteazlar ve hidrolizler sırasıyla çamaşır deterjanı ve nişasta işlemede kullanılır. Genetik manipülasyon, bu karmaşık olanlardan daha basit moleküller oluşturabilir veya hali hazırda bilinen kimyasal yapıları daha aktif bileşiklere dönüştürebilir.

Örneğin, mısır şurubunun tatlılığı, glukoz izomerize enzimi kullanılarak kimyasal transformasyonla büyük ölçüde arttırılabilir. Bu gelişmeler ilaç, gıda ve tarım alanlarında çok geniş uygulamalara sahip olabilir.

Fermantasyon teknolojisi kullanılarak mantarlardan birçok önemli endüstriyel ürün üretilmiştir. Spesifik enzimler salgılayan mantarlar organik maddeleri kolayca parçalayabilir. Antibiyotikler ayrıca mantarlardan izole edilmiştir.

Geç saatlerde, siklosporin, bir anti-mantar bileşiği olarak bir mantar Tolypocladium inflatumundan izole edildi; bu, bir immün baskılayıcı madde olduğu ortaya çıktı. Bu ilaç çoğunlukla insan organ nakillerinin reddedilmesini önlemek için kullanılır.

Mantar organizmaları ayrıca polisakaritler gibi bir biyopolimer kaynağıdır. Bu suşlar, belirli koşullar altında büyüdüğünde, endüstri için çok faydalı olan bu biyopolimerlerin elde edilmesine yardımcı olabilir. Birçok mantar çok sayıda pigment üretir ve bu nedenle tekstil boyaları üretmek için kullanılır.

Bazı mantar pigmentlerinin, önemli bir Vat boya grubuna benzeyen antrakinon türevleri olduğu bilinmektedir. Bu mantar boyalarının tekstil endüstrisinde kullanımı, sentetik kimyasalların atık bertarafı ile ilgili sorunları azaltır.

Pamuk bitkileri böcek saldırılarına oldukça eğilimlidir. Bu sorunu çözmek için, transgenik pamuk bitkileri geliştirilmiştir. Bu bitkiler, bitkileri böcek saldırısından koruyan bakteriler olan 'Bacillus thrungiensis' den bir gen taşırlar.

Bilim adamları ayrıca ağartma ve boyama işleminin yerini alabilecek transgenik renkli pamuklar geliştirmeye çalışıyorlar. Biyoteknolojinin hayvansal elyaf üretimi üzerinde de etkisi oldu. Genetik manipülasyonlar, yavru balık larvalarının saldırılarına bağlı olarak koyunlarda yün kesilmesini önleyebilir.

Birkaç şirket, lif oluşturucu biyopolimerler geliştirmeye çalışıyor. Zeneca Bio-products tarafından geliştirilen bu tür ürünlerden biri 'Biopol'dur. Bu kimyasal bileşik, polhydxybutyrate (PHB), termoplastik özelliklere sahip yüksek moleküler ağırlıklı lineer polyesterdir ve bu sayede eritilebilir ve elyaf haline getirilebilir.

Biyouyumlu ve biyolojik olarak parçalanabilen doğası, cerrahi alet yapımında da son derece faydalı olmasını sağlar. Örneğin, PHB'den yapılan dikişler insan vücudunda mevcut olan enzimler tarafından kolayca parçalanabilir. Ayrıca, bu tür genleri klonlamaya ve daha sonra bunları bitkilere aktarmaya yönelik girişimlerde bulunulmaktadır. Bu, bu bileşiklerin daha büyük miktarlarda üretilmesini sağlar ve daha sonra da maliyetini düşürür.

Tekstil Endüstrisi için Yararları:

Selüloz, boyalar ve geliştirilmiş pamuk bitkilerinin yanı sıra, tekstil endüstrisindeki diğer biyoteknoloji uygulamaları şunlardır:

1. Tekstil elyaflarının ve elyaf özelliklerinin üretiminde gelişmiş bitki çeşitlerinin kullanılması.

2. Hayvanlardan elde edilen liflerde gelişme.

3. Biyopolimerlerden ve genetiği değiştirilmiş mikroplardan yeni lifler.

4. Sert ve enerji gerektiren kimyasalları tekstil işleme için çevre dostu enzimlerle değiştirmek.

5. Düşük enerji bazlı deterjanların gelişimi.

6. Tekstil atık yönetiminin kalite kontrolü için yeni teşhis araçları.

Kağıt Endüstrisi:

Beyaz çürümeye neden olan mantarların kağıt endüstrisi için oldukça faydalı olduğu kanıtlanmıştır. 'Phanerochaete chrysosporium' ve 'Trametis versicolor' gibi türler kağıt yapımında kullanılan bazı kimyasal adımların yerini almıştır. Bu, kimyasalların kullanımıyla ilişkili kirlilik tehlikelerini ortadan kaldırabilir.

Biyoteknolojik güçler yepyeni bir sanayi devrimine haber vermek için yola çıkıyor. Bu devrimin gücü, canlı organizmaların sömürülmesinde ve geleneksel kimyasal bazlı hammaddeler için etkili alternatifler olarak moleküler araçların kullanılmasında yatmaktadır. Ve eğer mevcut eğilimler herhangi bir gösterge ise, bu yeni devrim gelecekte sanayiyi yeniden tanımlayacaktır.