Biotecnologia Industrial: Uma Introdução à Biotecnologia Industrial e suas Aplicações

Biotecnologia Industrial: Uma Introdução à Biotecnologia Industrial e suas Aplicações!

A primeira expressão das aplicações industriais da biotecnologia foi encontrada na produção de cerveja, vinho, queijo, pão e outros produtos fermentados.

Ao longo dos anos, essas aplicações se expandiram para incluir uma ampla gama de produtos nas indústrias alimentícia, química e farmacêutica. A engenharia genética e a biologia molecular provaram ser inestimáveis ​​não apenas para o desenvolvimento de uma série de produtos, mas também para a introdução de novos e mais eficazes bioprocessos.

Biotecnologia e Medicina:

O uso da biotecnologia abriu um novo mundo de possibilidades no campo da medicina. Esta ampla gama de aplicações, por sua vez, acrescentou um vasto potencial ao campo da medicina. Por exemplo, no caso dos oncogenes, vários "marcadores genéticos" foram desenvolvidos para identificar malignidades da mama, cólon, brônquios, esôfago e próstata. Muitos distúrbios psiquiátricos que resultam no fracasso da memória e de comportamentos aberrantes estão sendo agora compreendidos à luz da supressão ou ativação gênica.

Estes incluem demência, como a doença de Alzheimer e esquizofrenia (o último é incorrido por um único gene aberrante). A biotecnologia também possui um enorme potencial para o controle da fertilidade. O transplante seguro de órgãos e a manipulação do sistema imunológico do corpo também se tornaram possíveis. As drogas de designer são outro desenvolvimento, que é especificamente adaptado para manipular partes inteiras ou partes de genes individuais e para suprimir ou induzir ações específicas.

Algumas das outras aplicações da biotecnologia à medicina são:

Antibióticos:

Fabricação de antibióticos é a parte mais rentável da indústria farmacêutica. Mais de cem antibióticos estão atualmente em uso e muitas doenças bacterianas têm sido controladas. Os principais grupos de antibióticos incluem penicilina, tetraciclina, cefalosporina e eritromicina.

A penicilina foi descoberta por Fleming em 1928 e desenvolvida por Howard em 1944 a partir de um fungo chamado Penicillium notatum e mais tarde de Pchrysogenum. O Penicillium produz a maior quantidade de penicilina quando as células param de crescer.

A fermentação da penicilina requer sete a oito dias para o máximo rendimento. O fungo Cephlosporium é usado para a fabricação de Cefalosporina C, um antibiótico que pode matar até mesmo aquelas bactérias, que se tornam resistentes à penicilina. A estreptomicina foi descoberta e produzida a partir do microrganismo filamentoso Streptomyces griseus.

Os genes, como tais, não codificam diretamente os antibióticos. A maioria deles é produzida dentro da célula seguindo uma sequência de reações químicas que são catalisadas por enzimas. As enzimas são montadas a partir de instruções de genes específicos, e as células poderiam ser usadas para produzir novos antibióticos. A fusão celular permite que uma nova combinação de genes seja gerada.

Os genes que podem instruir as células a produzir novos antibióticos podem estar presentes na própria célula, mas não podem ser expressos. Ao fundir essas células, esses genes podem ser ativados, novas enzimas sintetizadas e os micróbios resultantes podem fabricar novos antibióticos.

Anticorpos:

Sempre que há uma invasão de bactérias, fungos ou vírus no corpo, o sangue e as glândulas linfáticas geram anticorpos como mecanismo de defesa. Esses anticorpos (ou imunoglobulinas) identificam as substâncias estranhas (ou antígenos) e se ligam ao material alienígena. Existem milhões de tipos diferentes de anticorpos no corpo e cada um tem uma estrutura particular. Se um anticorpo encontrar uma substância estranha com a mesma configuração, os dois irão bloquear juntos.

Quando os antígenos são implantados em camundongos, coelhos, cabras ou cavalos, muitos linfócitos B se ligam ao antígeno para produzir uma gama de diferentes imunoglobulinas como anticorpos para o antígeno. Assim, os anticorpos totais gerados contra um antigénio particular foram produzidos por muitos clones diferentes derivados de diferentes linfócitos B e são referidos como policlonais. Os anticorpos monoclonais são produzidos a partir de um clone de células derivadas de um único linfócito B. Esses anticorpos idênticos reconhecem exatamente o mesmo antígeno.

Aplicações Terapêuticas:

Anticorpos monoclonais desenvolvidos contra um tipo particular de célula cancerosa podem levar à regressão do tumor, já que as células cancerosas são reconhecidas como estranhas ao corpo. Os anticorpos monoclonais podem desencadear o sistema imunológico do paciente para começar a atacar um tumor. Os fmacos anticancerenos que est fisiologicamente ligados a anticorpos monoclonais dirigidos contra antigios cancerosos especicos podem tamb ser entregues directamente contra a malignidade.

Doença auto-imune:

Esta doença causa uma quebra na tolerância do corpo a seus próprios antígenos, já que as células B e T reagem contra seus próprios antígenos teciduais. Na febre reumática, o corpo é imunizado contra tecidos do coração e articulações após uma infecção. Os anticorpos monoclonais contra o antigénio das células T estão agora a ser utilizados para estudar e tratar muitas doenças auto-imunes.

Previsão do risco de doenças:

Antígenos particulares na superfície celular (como os dos leucócitos humanos) têm sido associados ao risco relativo de ocorrência de doenças como a artrite reumatóide. Assim, o reconhecimento precoce desses antígenos utilizando anticorpos monoclonais pode facilitar medidas preventivas adequadas.

Teste de gravidez:

Após a fertilização e implantação, a unidade placentária fetal funciona como uma glândula endócrina produzindo hormônios. Estes incluem o hormônio gonadotrófico coriônico humano, que é produzido dentro de três dias após a concepção e atinge um nível que é facilmente detectado por anticorpos monoclonais em sete dias. Os kits desenvolvidos são usados ​​para confirmar a gravidez logo no décimo primeiro dia da concepção.

Desenvolvendo Proteínas Recombinantes para Uso Médico e Terapêutico:

Diferentes sistemas de express s utilizados para expressar as proteas recombinantes. Estes sistemas de expressão podem ser de levedura, bactérias, insectos ou uma origem viral. Os vectores de expressão procariotas proporcionam um sistema conveniente para sintetizar proteínas eucarióticas, mas as proteínas podem não ter muitas das propriedades imunogénicas, conformação 3D e outras características exibidas por proteínas eucarióticas normais.

Os sistemas de express� eucari�icos, incluindo mam�eros, anf�ios, plantas, insectos e leveduras, ultrapassam muitas destas limita�es. O sistema de express de culas de mameros apresenta dificuldade na purificao de proteas recombinantes, incluindo limitaes no tamanho da protea recombinante expressa e mecanismo de induo da express proteica. Muitas dessas limitações podem ser superadas usando sistemas de expressão de células de insetos e leveduras.

Insulina, interferon, vacinas, proteínas do sangue e fatores de crescimento estão entre as muitas substâncias fabricadas usando micróbios geneticamente modificados. A engenharia genética ou a tecnologia de DNA recombinante ou a manipulação genética tornaram possível transferir genes de um organismo para outro, induzindo as células a fabricarem tanto a baixo custo quanto em grandes quantidades os materiais que normalmente não seriam produzidos.

A produção de substâncias por manipulação genética envolve a inserção do gene que codifica a proteína (produto) a ser fabricada em um micróbio capaz de sintetizar o produto. O produto formado pode ser posteriormente coletado.

Com o advento da biotecnologia, muitas substâncias biomédicas vitais foram geradas e aplicadas com sucesso. Por exemplo, a penicilina G original (benzil penicilina) tem um espectro relativamente estreito de atividade contra microrganismos e não pode ser administrada oralmente.

Os membros das penicilinas semi-sintéticas são agora produzidos pela remoção e / ou substituição da cadeia lateral em vários locais da molécula por processo químico ou biológico. A penicilina difere da penicilina benzílica. Ele tem um grupo amino adicional em sua cadeia lateral que confirma uma ampla faixa antibacteriana e pode ser administrado por via oral. A enzima usada para clivar a cadeia lateral é a penicilina acilase, que é derivada de vários micróbios, incluindo E. coli e Aspergillus repins.

Novos alvos de drogas e desenvolvimento de vacinas:

Muitos potenciais alvos de drogas já foram identificados. Estes incluem enzimas metabólicas chave, fatores de crescimento, hormônios, substâncias transmissoras, produtos oncogênicos, neuropeptídeos e várias proteínas receptoras. O poder da tecnologia do rDNA pode ser direcionado a esses alvos para caracterizá-los completamente.

A anise de ADN pode ser utilizada para prever a sequcia de aminoidos dos genes alvo clonados e as proteas podem ser expressas em quantidades suficientes para proporcionar material para as pastilhas cristalogricas de raios X. O efeito das alterações provocadas pela mutagénese dirigida pode ser demonstrado em termos de função estrutural. Tal conhecimento é essencial para programas de desenho de medicamentos auxiliados por computador.

Esta é outra área em que os métodos de rDNA provaram ser bem sucedidos. No passado, o desenvolvimento de vacinas usava métodos empíricos para derivar vacinas atenuadas ou mortas para aumentar a segurança dos produtos. Os métodos recombinantes permitem ao pesquisador dissecar o gene para o imunógeno ativo do organismo hospedeiro e introduzi-lo em um sistema mais conveniente e benigno para altos níveis de expressão.

Alguns dos exemplos são:

Insulina:

É um importante hormônio que regula os níveis de glicose.

Fator Anti-hemofílico:

É um material importante purificado do sangue humano e usado no tratamento da hemofilia. A ação provou ser difícil devido à infecção de hemofílicos pelo vírus da AIDS.

Albumina Sérica Humana:

É uma das proteínas sanguíneas mais comuns usadas no tratamento de lesões por choque, como queimaduras.

Enzimas projetadas:

Estas enzimas são usadas para tratar uma série de condições de doenças cardíacas para insuficiência renal, para certos tipos de deficiências enzimáticas hereditárias.

Avanços rápidos estão sendo feitos continuamente no campo, e novos horizontes incluem o desenvolvimento de enzimas como biossensores ou bioeletrodos para monitorar muitos processos fisiológicos.

Indústria de Alimentos e Bebidas:

Xilanases:

Enzimas são moléculas biológicas presentes em vários organismos. Microrganismos foram encontrados para ser uma fonte rica de enzimas industrialmente importantes. Uma dessas enzimas é a xilanase. Diferentes tipos de xilanases foram identificados e isolados por manipulação genética. Estes incluem enzimas digestivas para fibras naturais como madeira, polpa e celulose.

As xilanases desempenham um papel muito positivo na melhoria da qualidade dos produtos de panificação. Por exemplo, uma enzima xilanase específica foi identificada e produzida a partir de uma cepa fúngica (Aspergillus niger var awamori). Manipulações moleculares aumentaram o nível de produção dessas enzimas em vinte a quarenta vezes. Esta enzima (EXLA) foi desenvolvida pela Unilever e agora está disponível gratuitamente no mercado.

Descobriu-se que a decocção de xilanase e celulase, chamada Flaxzyme, produzia uma fibra limpa quando usada para retting de genes produtores de Xylanase knaaf e foi inserida em E. coli, que é introduzida na alimentação de pintinhos. As bactérias produzem xilanase, que quebra o grão e permite que o filhote digira o grão mais rapidamente, promovendo assim um crescimento mais rápido.

Outro estudo foi conduzido para produzir enzimaticamente um novo material gelificante à base de proteínas plasmáticas para otimizar os produtos cárneos. A empresa TNO desenvolveu um novo sistema de ligação de carnes frias chamado Fibrimex (que é uma solução de fibrinogênio, trombina e transglutaminase) com pedaços de carne fresca, que, por sua vez, forma uma massa de covenant de carne.

Emulsificadores:

A goma-arábica é predominantemente utilizada como emulsionante na indústria alimentícia devido às suas propriedades emulsificantes e estabilizantes. Utilizando novas ferramentas moleculares, os emulsificantes são agora sintetizados a partir de carboidratos acoplados por covalência, como amido, pectina, açúcar e proteínas de trigo, leite e soja.

Teste de Alergia ao Amendoim:

Muitas pessoas foram encontradas para exibir reações alérgicas depois de comer amendoim. Para combater esse problema, é essencial identificar a causa dessa alergia. Para este propósito, um ensaio imunológico altamente sensível foi desenvolvido por uma empresa com sede na Holanda para detectar proteínas de amendoim em alimentos. Este é o primeiro ensaio de amendoim com aplicações comerciais.

Monitoramento Eficaz:

Os cientistas estão desenvolvendo modelos gastrointestinais versáteis para monitoramento detalhado da digestibilidade, bioconversão e biodegradabilidade de alimentos e drogas e contaminantes do ponto de segurança e funcionalidade. Esses modelos (TIM-TNO - modelos in vitro) são agora usados ​​para estudar o efeito digestivo dos alimentos nutracêuticos.

Adoçante de alta intensidade:

A Hoechst desenvolveu o Aesulfamek, o adoçante de alta intensidade sob o nome Sunett ^TM . Sua eficácia e testes de segurança toxicológica estabeleceram este produto como um adoçante extremamente eficaz.

Ingestão de Cálcio:

Uma das aplicações mais importantes e inovadoras da biotecnologia é melhorar o nível de cálcio em nossos alimentos. Pesquisadores mostraram que a oligo-frutose, um oligossacarídeo de baixa digestibilidade que ocorre naturalmente, aumenta a absorção de cálcio em até vinte e dois por cento. Tais estudos podem abrir as comportas para novas áreas de aplicação de saúde e novas classes de ingredientes. Essas descobertas podem ser usadas para criar novos produtos em laticínios, padaria, confeitaria e bebidas.

Alimentos de Micróbios:

Enquanto a fermentação e a fermentação existem há séculos, agora estamos usando cepas geneticamente puras no processo. Estudos mostram que cerca de 1, 5 milhão de toneladas de levedura de padaria (Saccharomyces cervisiae) são produzidas em todo o mundo a cada ano. Plantas modernas também reduziram o tempo necessário no processo de fermentação de meses para dias. Da mesma forma, o fungo Aspergillus oryzae está sendo usado para produzir uma ampla gama de enzimas importantes.

Cogumelos Comestíveis:

Rank Hons A McDougall PLC & ICI (Zeneca) obteve recentemente a mycoproteína Quorn de um fungo filamentoso Fusarium graminecerarum. Quorn é obtido a partir de micélios cultivados em grandes fermentadores. O produto final que é obtido tem uma textura semelhante à carne e é relatado como sendo o alimento mais testado. As vendas anuais da Quorn são da ordem de 15 milhões de libras somente no Reino Unido.

Produtos industriais:

Foi recentemente descoberto que a enzima celulósica pode substituir as pedras-pomes usadas na indústria têxtil para produzir jeans lavados. Isso ajudará a combater os danos que a pedra-brisa pode causar ao tecido. A enzima celulósica também pode ser usada como um agente de bio-polimento, uma vez que remove a penugem da superfície das fibras de celulose.

Proteases e hidrólises são usadas em detergentes de lavanderia e processamento de amido, respectivamente. A manipulação genética pode criar moléculas mais simples a partir dessas complexas, ou transformar as estruturas químicas já conhecidas em compostos mais ativos.

Por exemplo, a doçura do xarope de milho pode ser substancialmente aumentada por transformação química usando a enzima isomerize de glicose. Estes desenvolvimentos podem ter aplicações muito amplas nas áreas farmacêutica, alimentar e agrícola.

Muitos produtos industriais importantes foram produzidos a partir de fungos usando a tecnologia de fermentação. Fungos, que secretam enzimas específicas, podem quebrar materiais orgânicos. Antibióticos também foram isolados de fungos.

Ultimamente, a ciclosporina foi isolada de um fungo Tolypocladium inflatum como um composto anti-fúngico, que acabou por ser um agente imunossupressor. Esta droga é usada principalmente para prevenir a rejeição de transplantes de órgãos humanos.

Organismos fúngicos são também uma fonte de biopolímeros como os polissacarídeos. Essas linhagens, quando cultivadas sob condições específicas, podem ajudar na obtenção desses biopolímeros, que são muito úteis para a indústria. Muitos fungos produzem um grande número de pigmentos e são, portanto, usados ​​para a produção de corantes têxteis.

Alguns pigmentos fúngicos são conhecidos por serem derivados de antraquinona, que se assemelham a um importante grupo de corantes de cuba. A utilização destes corantes fúngicos na indústria têxtil reduz os problemas associados à eliminação de resíduos de produtos químicos sintéticos.

Plantas de algodão são altamente propensas a ataques de insetos. Para combater esse problema, plantas de algodão transgênico já foram desenvolvidas. Estas plantas carregam um gene da bactéria 'Bacillus thrungiensis', que protege a planta do ataque de insetos.

Os cientistas também estão tentando desenvolver algodão colorido transgênico, o que poderia substituir o processo de branqueamento e morte. A biotecnologia também teve impacto na produção de fibra animal. Manipulações genéticas podem impedir o cisalhamento de lã em ovelhas, que é causado devido ao ataque de larvas de fritar.

Várias empresas estão tentando desenvolver biopolímeros formadores de fibras. Um desses produtos desenvolvidos pela Zeneca Bioprodutos é o 'Biopol'. Este composto químico, o polihidroxibutirato (PHB), é um poliéster linear de alto peso molecular com propriedades termoplásticas e pode, assim, ser derretido e transformado em fibras.

Sua natureza biocompatível e biodegradável também torna extremamente útil para fazer ferramentas cirúrgicas. Por exemplo, suturas feitas de PHB são facilmente degradáveis ​​pelas enzimas presentes no corpo humano. Tentativas também são feitas para clonar esses genes e, posteriormente, transferi-los para as plantas. Isso permitiria a produção desses compostos em quantidades muito maiores e, posteriormente, reduziria seu custo.

Benefícios para a Indústria Têxtil:

Além de celulose, corantes e plantas de algodão melhoradas, as outras aplicações da biotecnologia na indústria têxtil incluem:

1. Uso de variedades de plantas melhoradas para a produção de fibras têxteis e propriedades de fibras.

2. Melhoramento da fibra derivada de animais.

3. Novas fibras de biopolímeros e micróbios geneticamente modificados.

4. Substituição de produtos químicos agressivos e exigentes em energia por enzimas amigas do ambiente para o processamento de têxteis.

5. Desenvolvimento de detergentes de baixa energia.

6. Novas ferramentas de diagnóstico para controle de qualidade da gestão de resíduos têxteis.

Indústria de papel:

Fungos que causam podridão branca provaram ser bastante úteis para a indústria de papel. Espécies como 'Phanerochaete chrysosporium' e 'Trametis versicolor' substituíram algumas das etapas químicas usadas na fabricação de papel. Isso pode eliminar os riscos de poluição associados ao uso de produtos químicos.

As forças biotecnológicas estão bem encaminhadas para anunciar uma nova revolução industrial. A força dessa revolução estará na exploração de organismos vivos e na utilização de ferramentas moleculares como alternativas eficazes para matérias-primas convencionais de base química. E se as tendências atuais são alguma indicação, esta nova revolução vai redefinir a indústria no futuro.