Biotecnología industrial: una introducción a la biotecnología industrial y sus aplicaciones
Biotecnología industrial: una introducción a la biotecnología industrial y sus aplicaciones.
La primera expresión de aplicaciones industriales de biotecnología se encontró en la producción de cerveza, vino, queso, pan y otros productos fermentados.
A lo largo de los años, tales aplicaciones se han ampliado para incluir una gama muy amplia de productos en las industrias de alimentos, química y farmacéutica. La ingeniería genética y la biología molecular han demostrado ser invaluables no solo para el desarrollo de una gran cantidad de productos, sino también para la introducción de nuevos y más eficaces bioprocesos.
Biotecnología y medicina:
El uso de la biotecnología ha abierto un nuevo mundo de posibilidades en el campo de la medicina. Esta amplia gama de aplicaciones a su vez ha agregado un vasto potencial al campo de la medicina. Por ejemplo, en el caso de los oncogenes, se han desarrollado varios "marcadores genéticos" para identificar tumores malignos de mama, colon, bronquios, esófago y próstata. Muchos trastornos psiquiátricos que resultan en el fracaso de la memoria y conductas aberrantes ahora se están entendiendo a la luz de la supresión o activación de genes.
Estos incluyen demencia como la enfermedad de Alzheimer y la esquizofrenia (este último es incurrido por un solo gen aberrante). La biotecnología también tiene un enorme potencial para el control de la fertilidad. El trasplante de órganos seguro y la manipulación del sistema inmunológico del cuerpo también han sido posibles. Los medicamentos de diseño son otro desarrollo, que está específicamente diseñado para manipular la totalidad o partes de genes individuales y para suprimir o inducir acciones específicas.
Algunas de las otras aplicaciones de la biotecnología a la medicina son:
Antibióticos
La fabricación de antibióticos es la parte más rentable de la industria farmacéutica. Más de cien antibióticos están actualmente en uso y muchas enfermedades bacterianas temidas han sido controladas. Los principales grupos de antibióticos incluyen penicilina, tetraciclina, cefalosporina y eritromicina.
La penicilina fue descubierta por Fleming en 1928 y desarrollada por Howard en 1944 a partir de un hongo llamado Penicillium notatum y más tarde de Pchrysogenum. Penicillium produce la mayor cantidad de penicilina cuando las células dejan de crecer.
La fermentación de la penicilina requiere de siete a ocho días para obtener el máximo rendimiento. El hongo Cephlosporium se usa para fabricar Cephalosporin C, un antibiótico que puede matar incluso a esas bacterias, que se vuelven resistentes a la penicilina. La estreptomicina fue descubierta y producida a partir del microbio filamentoso Streptomyces griseus.
Los genes como tales no codifican directamente los antibióticos. La mayoría de ellos se producen dentro de la célula siguiendo una secuencia de reacciones químicas que son catalizadas por enzimas. Las enzimas se ensamblan a partir de instrucciones de genes específicos y las células podrían usarse para producir nuevos antibióticos. La fusión celular permite generar una nueva combinación de genes.
Los genes que pueden indicar a las células que produzcan nuevos antibióticos pueden estar presentes en la célula, pero no pueden expresarse. Al fusionar estas células, estos geneg pueden activarse, sintetizarse nuevas enzimas y los microbios resultantes pueden fabricar nuevos antibióticos.
Anticuerpos
Siempre que hay una invasión de bacterias, hongos o virus en el cuerpo, la sangre y las glándulas linfáticas generan anticuerpos como un mecanismo de defensa. Estos anticuerpos (o inmunoglobulina) identifican las sustancias extrañas (o antígenos) y se adhieren al material extraño. Hay millones de diferentes tipos de anticuerpos en el cuerpo, y cada uno tiene una estructura particular. Si un anticuerpo encuentra una sustancia extraña con la misma configuración, los dos se bloquearán juntos.
Cuando se implantan antígenos en ratones, conejos, cabras o caballos, muchos linfocitos B se unen al antígeno para producir una variedad de diferentes inmunoglobulinas como anticuerpos contra el antígeno. Por lo tanto, los anticuerpos totales generados contra un antígeno particular se han producido por muchos clones diferentes derivados de diferentes linfocitos B y se conocen como policlonales. Los anticuerpos monoclonales se producen a partir de un clon de células derivadas de un solo linfocito B. Estos anticuerpos idénticos reconocen exactamente el mismo antígeno.
Aplicaciones terapéuticas:
Los anticuerpos monoclonales desarrollados contra un tipo particular de célula cancerosa pueden conducir a la regresión del tumor, ya que las células cancerosas son reconocidas como extrañas al cuerpo. Los anticuerpos monoclonales pueden desencadenar el sistema inmunológico de un paciente para comenzar a atacar un tumor. Los medicamentos contra el cáncer que están unidos fisiológicamente a los anticuerpos monoclonales dirigidos contra antígenos cancerosos específicos también pueden administrarse directamente contra la malignidad.
Enfermedad autoinmune:
Esta enfermedad causa una ruptura en la tolerancia del cuerpo a sus propios antígenos, ya que las células B y T reaccionan contra sus propios antígenos de tejido. En la fiebre reumática, el cuerpo se inmuniza contra los tejidos del corazón y las articulaciones después de una infección. Los anticuerpos monoclonales contra el antígeno de células T ahora se están utilizando para estudiar y tratar muchas enfermedades autoinmunes.
Predicción del riesgo de enfermedad:
Los antígenos particulares en la superficie celular (como los de los leucocitos humanos) se han asociado con el riesgo relativo de aparición de enfermedades como la artritis reumatoide. Por lo tanto, el reconocimiento temprano de estos antígenos utilizando anticuerpos monoclonales puede facilitar medidas preventivas adecuadas.
Pruebas de embarazo:
Después de la fertilización y la implantación, la unidad placentaria fetal funciona como una glándula endocrina que produce hormonas. Estos incluyen la hormona gonadotrópica coriónica humana, que se produce tres días después de la concepción y alcanza un nivel que los anticuerpos monoclonales detectan fácilmente en un plazo de siete días. Los kits desarrollados se utilizan para confirmar el embarazo a partir del undécimo día desde la concepción.
Desarrollo de proteínas recombinantes para uso médico y terapéutico:
Se utilizan diferentes sistemas de expresión para expresar las proteínas recombinantes. Estos sistemas de expresión pueden ser de levadura, bacteria, insecto o de origen viral. Los vectores de expresión procarióticos proporcionan un sistema conveniente para sintetizar proteínas eucarióticas, pero las proteínas pueden carecer de muchas de las propiedades inmunogénicas, la conformación 3D y otras características que presentan las proteínas eucarióticas normales.
Los sistemas de expresión eucarióticos que incluyen mamíferos, anfibios, plantas, insectos y levaduras superan muchas de estas limitaciones. El sistema de expresión de células de mamíferos plantea dificultades para purificar proteínas recombinantes, incluidas las limitaciones en el tamaño de la proteína recombinante expresada y el mecanismo de inducción de la expresión de proteínas. Muchas de estas limitaciones pueden superarse utilizando sistemas de expresión de células de insectos y levaduras.
La insulina, el interferón, las vacunas, las proteínas de la sangre y los factores de crecimiento se encuentran entre las muchas sustancias fabricadas con microbios de ingeniería genética. La ingeniería genética o la tecnología de ADN recombinante o la manipulación genética han hecho posible transferir genes de un organismo a otro, induciendo a las células a fabricar tanto en forma barata como en grandes cantidades, los materiales que normalmente no se producirían.
La producción de sustancias por manipulación genética implica la inserción del gen que codifica la proteína (producto) que se fabricará en un microbio, que puede sintetizar el producto. El producto formado puede ser recogido posteriormente.
Con el advenimiento de la biotecnología, muchas sustancias biomédicas vitales se han generado y aplicado con éxito. Por ejemplo, la penicilina G original (penicilina bencilo) tiene un espectro de actividad relativamente estrecho contra los microorganismos y no se puede administrar por vía oral.
Los miembros de la penicilina semisintética ahora se producen mediante la eliminación y / o sustitución de la cadena lateral en varios sitios de la molécula mediante un proceso químico o biológico. La penicilina se diferencia de la penicilina bencilo. Tiene un grupo amino adicional en su cadena lateral que confirma un rango antibacteriano más amplio y se puede administrar por vía oral. La enzima utilizada para romper la cadena lateral es la penicilina acilasa, que se deriva de varios microbios, incluidos los repins de E. coli y Aspergillus.
Nuevos objetivos farmacológicos y desarrollo de vacunas:
Muchos posibles objetivos de drogas ya han sido identificados. Estos incluyen enzimas metabólicas clave, factores de crecimiento, hormonas, sustancias transmisoras, productos oncogénicos, neuropéptidos y varias proteínas receptoras. El poder de la tecnología de ADNr puede dirigirse a estos objetivos para caracterizarlos completamente.
El análisis de ADN se puede usar para predecir la secuencia de aminoácidos de los genes diana clonados, y las proteínas se pueden expresar en cantidades suficientes para proporcionar material para las muestras cristalográficas de rayos X. El efecto de los cambios provocados por la mutagénesis dirigida al sitio podría demostrarse en términos de función de la estructura. Tal conocimiento es esencial para los programas de diseño de medicamentos asistidos por computadora.
Esta es otra área donde los métodos de ADNr han demostrado ser exitosos. En el pasado, el desarrollo de vacunas utilizaba métodos empíricos para derivar vacunas atenuadas o muertas para aumentar la seguridad de los productos. Los métodos recombinantes permiten al investigador diseccionar el gen para el inmunógeno activo del organismo huésped, e introducirlo en un sistema más conveniente y benigno para niveles altos de expresión.
Algunos de los ejemplos son:
Insulina:
Es una hormona importante que regula los niveles de glucosa.
Factor antihemofílico:
Es un material importante purificado de la sangre humana y se utiliza en el tratamiento de la hemofilia. La acción ha resultado difícil debido a la infección de hemofílicos con el virus del SIDA.
Albúmina De Suero Humano:
Es una de las proteínas de la sangre más comunes que se utilizan en el tratamiento de lesiones por shock, como quemaduras.
Enzimas de ingeniería:
Estas enzimas se usan para tratar una variedad de afecciones, desde enfermedades cardíacas hasta insuficiencia renal y ciertos tipos de deficiencias enzimáticas heredadas.
Los avances rápidos se realizan continuamente en el campo, y los nuevos horizontes incluyen el desarrollo de enzimas como biosensores o bioelectrodos para monitorear muchos procesos fisiológicos.
Industria de alimentos y bebidas:
Xilanasas:
Las enzimas son moléculas biológicas presentes en diversos organismos. Se ha encontrado que los microorganismos son una fuente rica de enzimas de importancia industrial. Una de estas enzimas es la xilanasa. Diferentes tipos de xilanasas han sido identificados y aislados por manipulación genética. Estos incluyen enzimas digestivas para fibras naturales como la madera, la pulpa y la celulosa.
Las xilanasas desempeñan un papel muy positivo en la mejora de la calidad de los productos horneados. Por ejemplo, una enzima xilanasa específica ha sido identificada y producida a partir de una cepa fúngica (Aspergillus niger var awamori). Las manipulaciones moleculares han aumentado el nivel de producción de estas enzimas de veinte a cuarenta veces. Esta enzima (EXLA) fue desarrollada por Unilever y ahora está disponible de forma gratuita en el mercado.
Se descubrió que la xilanasa y la decocción de la celulasa, llamada Flaxzyme, producen una fibra limpia cuando se usan para recuperar los genes productores de xilanasa de Knaaf que se han aislado e insertado en E. coli, que se induce en la alimentación de pollos. Las bacterias producen xilanasa, que descompone el grano y le permite al pollo digerir el grano más rápido, promoviendo así un crecimiento más rápido.
Se realizó otro estudio para producir enzimáticamente un nuevo material formador de gel a base de proteínas plasmáticas para optimizar los productos cárnicos. La Compañía TNO desarrolló un sistema de unión de carne fresca y fría llamada Fibrimex (que es una solución de fibrinógeno, trombina y transglutaminasa) con piezas de carne fresca, que, a su vez, forman una masa de carne de pacto.
Emulsionantes:
La goma de acacia se utiliza predominantemente como emulsionante en la industria alimentaria debido a sus propiedades emulsionantes y de estabilización. Usando nuevas herramientas moleculares, los emulsionantes ahora se sintetizan a partir de carbohidratos covalentemente acoplados, como el almidón, la pectina, el azúcar y las proteínas del trigo, la leche y la soja.
Pruebas de alergia al maní:
Se ha encontrado que muchas personas muestran reacciones alérgicas después de comer cacahuetes. Para combatir este problema, es esencial identificar la causa de esta alergia. Para este propósito, una compañía con sede en Holanda ha desarrollado un ensayo inmunológico altamente sensible para detectar proteínas de maní en los alimentos. Este es el primer ensayo de maní con aplicaciones comerciales.
Monitoreo efectivo:
Los científicos están desarrollando modelos gastrointestinales versátiles para el monitoreo detallado de la digestibilidad, la bioconversión y la biodegradabilidad de los alimentos y medicamentos y contaminantes desde el punto de vista de la seguridad y la funcionalidad. Estos modelos (TIM-TNO - modelos in vitro) ahora se utilizan para estudiar el efecto digestivo de los alimentos nutracéuticos.
Edulcorante de alta intensidad:
Hoechst desarrolló 'Aesulfamek', el edulcorante de alta intensidad bajo el nombre de Sunett TM . Su eficacia y pruebas de seguridad toxicológica han establecido a este producto como un edulcorante extremadamente eficaz.
Ingesta de calcio:
Una de las aplicaciones más importantes e innovadoras de la biotecnología es mejorar el nivel de calcio en nuestros productos alimenticios. Los investigadores han demostrado que la oligo-fructosa, un oligosacárido de baja digestión natural, aumenta la absorción de calcio hasta en un 22%. Tales estudios pueden abrir las compuertas para nuevas áreas de aplicación de la salud y nuevas clases de ingredientes. Estos hallazgos se pueden utilizar para crear nuevos productos en productos lácteos, panadería, confitería y bebidas.
Alimentos de los microbios:
Mientras que la elaboración de la cerveza y la cocción han existido durante siglos, ahora estamos usando cepas genéticamente puras en el proceso. Los estudios muestran que casi 1.5 millones de toneladas de levadura de panadería (Saccharomyces cervisiae) se producen en todo el mundo cada año. Las plantas modernas también han reducido el tiempo requerido en el proceso de fermentación de meses a días. Del mismo modo, el hongo Aspergillus oryzae se utiliza para producir una amplia gama de enzimas importantes.
Champiñones Comestibles:
Rank Hons McDougall PLC & ICI (Zeneca) ha obtenido recientemente la proteína de Quorn de un hongo filamentoso Fusarium graminecerarum. La quorn se obtiene de micelios cultivados en grandes fermentadores. El producto final que se obtiene tiene una textura similar a la carne, y se dice que es el alimento más probado. Las ventas anuales de Quorn son de solo 15 millones de libras en el Reino Unido.
Productos industriales:
Recientemente se descubrió que la enzima de celulosa puede reemplazar las piedras pómez utilizadas en la industria textil para producir mezclilla lavada a la piedra. Esto ayudará a contrarrestar el daño que la piedra pymice puede causar a la tela. La enzima celulosa también se puede usar como un agente de biopulido, ya que elimina la pelusa de la superficie de las fibras de celulosa.
Las proteasas y las hidrólisis se utilizan en los detergentes para ropa y en el procesamiento del almidón, respectivamente. La manipulación genética puede crear moléculas más simples a partir de estas complejas, o transformar las estructuras químicas ya conocidas en compuestos más activos.
Por ejemplo, la dulzura del jarabe de maíz puede aumentarse sustancialmente mediante transformación química utilizando la enzima isomerizada de glucosa. Estos desarrollos pueden tener aplicaciones muy amplias en áreas farmacéutica, alimentaria y agrícola.
Muchos productos industriales importantes se han producido a partir de hongos utilizando la tecnología de fermentación. Los hongos, que secretan enzimas específicas, pueden descomponer fácilmente los materiales orgánicos. Los antibióticos también se han aislado de los hongos.
En los últimos tiempos, la ciclosporina se ha aislado de un hongo Tolypocladium inflatum como un compuesto antifúngico, que resultó ser un agente inmunosupresor. Este medicamento se usa principalmente para prevenir el rechazo de los trasplantes de órganos humanos.
Los organismos fúngicos también son una fuente de biopolímeros como los polisacáridos. Estas cepas, cuando se cultivan en condiciones específicas, pueden ayudar a obtener estos biopolímeros, que son muy útiles para la industria. Muchos hongos producen una gran cantidad de pigmentos y, por lo tanto, se utilizan para producir tintes textiles.
Se sabe que algunos pigmentos fúngicos son derivados de antraquinona, que se asemejan a un grupo importante de colorantes Vat. El uso de estos colorantes fúngicos en la industria textil reduce los problemas asociados con la eliminación de desechos de productos químicos sintéticos.
Las plantas de algodón son altamente propensas a los ataques de insectos. Para contrarrestar este problema, ahora se han desarrollado plantas de algodón transgénico. Estas plantas portan un gen de la bacteria 'Bacillus thrungiensis', que protege a la planta del ataque de insectos.
Los científicos también están tratando de desarrollar algodones de colores transgénicos, que podrían reemplazar el proceso de decoloración y muerte. La biotecnología también ha tenido un impacto en la producción de fibra animal. Las manipulaciones genéticas pueden evitar el corte de la lana en las ovejas, que es causada por el ataque de larvas de alevines.
Varias empresas están, tratando de desarrollar biopolímeros formadores de fibra. Uno de estos productos desarrollados por Zeneca Bio-products es el 'Biopol'. Este compuesto químico, polihidroxibutirato (PHB), es un poliéster lineal de alto peso molecular con propiedades termoplásticas y, por lo tanto, se puede fundir y convertir en fibras.
Su naturaleza biocompatible y biodegradable también lo hace extremadamente útil para hacer herramientas quirúrgicas. Por ejemplo, las suturas hechas de PHB son fácilmente degradables por las enzimas presentes en el cuerpo humano. También se intentan clonar dichos genes y, posteriormente, transferirlos a las plantas. Esto permitiría la producción de estos compuestos en cantidades mucho más grandes y, posteriormente, también reduciría su costo.
Beneficios para la industria textil:
Además de celulosa, tintes y plantas de algodón mejoradas, las otras aplicaciones de la biotecnología en la industria textil incluyen:
1. Uso de variedades vegetales mejoradas para la producción de fibras textiles y propiedades de la fibra.
2. Mejora en la fibra derivada de animales.
3. Nuevas fibras de biopolímeros y microbios modificados genéticamente.
4. Reemplazo de químicos agresivos y que demandan energía por enzimas ecológicas para el procesamiento de textiles.
5. Desarrollo de detergentes de baja energía.
6. Nuevas herramientas de diagnóstico para el control de calidad de la gestión de residuos textiles.
Industria del papel
Los hongos que causan la pudrición blanca han demostrado ser muy útiles para la industria del papel. Especies como 'Phanerochaete chrysosporium' y 'Trametis versicolor' han reemplazado algunos de los pasos químicos utilizados en la fabricación de papel. Esto puede eliminar los peligros de contaminación asociados con el uso de productos químicos.
Las fuerzas biotecnológicas están en camino de anunciar una revolución industrial completamente nueva. La fuerza de esta revolución estará en la explotación de organismos vivos y en el uso de herramientas moleculares como alternativas efectivas para las materias primas convencionales basadas en químicos. Y si las tendencias actuales son una indicación, esta nueva revolución va a redefinir la industria en el futuro.
