Βιοσύνθεση | Μια ακτίνα ελπίδας για το περιβάλλον και τη βιοτεχνολογία

Σύνθεση Πρωτεΐνης
https://www.flickr.com/photos/182229932@N07/48520399467

Βιοσύνθεση | Μια ακτίνα ελπίδας για το περιβάλλον και τη βιοτεχνολογία

Περιεχόμενα

Τι είναι η βιοσύνθεση;

Είναι ένα διαδικασία που καταλύεται από ένζυμα στα οποία απλά αντιδραστήρια (υποστρώματα) μετατρέπονται σε σύνθετα προϊόντα μέσα στους ζωντανούς οργανισμούς ή με τη βοήθεια ζωντανών οργανισμών. Σε αυτή τη διαδικασία, το τα υποστρώματα μετασχηματίζονται, τροποποιούνται ή πολυμερίζονται για να σχηματίσουν προϊόντα μεγάλου μεγέθους γνωστά ως μακρομόρια. Αυτή η μετατροπή και τροποποίηση περιλαμβάνει μια σειρά αντιδράσεων που ονομάζονται βιοσυνθετική οδό. Αυτά τα βιοσυνθετικά μονοπάτια μπορεί να εμφανιστεί μέσα ή έξω από το σώμα του οργανισμού με ένζυμα (βιοκαταλύτες). Η παραγωγή των συστατικών της κυτταρικής μεμβράνης (φωσφολιπίδια και πρωτεΐνες μεμβράνης), νουκλεοτίδια και πρωτεΐνες είναι τυπικά παραδείγματα βιοσυνθετικών οδών. Η διαδικασία βιοσύνθεσης είναι συνήθως μια αναβολική διαδικασία απαιτούν μονομερή, υποστρώματα, πρόδρομες ενώσεις, ένζυμα, συν-ένζυμα και ενέργεια. 

Σε γενικές γραμμές, η βιοσύνθεση είναι η διαδικασία παραγωγής βιομορίων ή φυσικών ενώσεων μέσω καταλυόμενων από ένζυμο αντιδράσεων χρησιμοποιώντας κυτταρικά μεταβολικά μηχανήματα. Γενικά, μια σειρά αντιδράσεων που καταλύονται από ένζυμα εμπλέκονται στην παραγωγή ενός μοναδικού βιομορίου. Η βιοσύνθεση μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη σύνθεση χημικών με χρήση υποστρώματος in vitro (έξω από τον ζωντανό οργανισμό) ή in vivo (μέσα σε ένα ζωντανό κύτταρο όπως Ε. coli) με βοήθεια ανασυνδυασμένης τεχνολογίας ενζύμων. 

Βιοσύνθεση
Σχήμα 1: χρήση συστατικών κυττάρων για βιοσύνθεση.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ribosome_mRNA_translation_en.svg

Διαφορά μεταξύ βιοσύνθεσης και χημικής σύνθεσης

Η χημική σύνθεση ή η χημειοσύνθεση είναι ο σχηματισμός σύνθετων προϊόντων χρησιμοποιώντας απλούστερες ουσίες απουσία ή παρουσία χημικών παραγόντων γνωστών ως καταλυτών. Η βιοσύνθεση σχηματίζει μεγάλες οργανικές ενώσεις χρησιμοποιώντας μικρότερα υποστρώματα σε ένα ζωντανό σύστημα ακολουθώντας μια μεταβολική οδό. 

Γιατί είναι απαραίτητη η βιοσύνθεση;

Οι μέθοδοι παραγωγής που χρησιμοποιούνται στη χημειοσύνθεση είναι γενικά επικίνδυνες για το περιβάλλον μας και άλλα ζωντανά όντα. Ως εκ τούτου, υπάρχει ανάγκη για περιβαλλοντικά ασφαλή, οικονομικά αποδοτική και μέθοδο σύνθεσης. Μια ποικιλία βιολογικών συστημάτων όπως μύκητες, βακτήρια, διάτομα, φυτά και ακόμη και ανθρώπινα κύτταρα μπορούν να μετατρέψουν απλούστερα υποστρώματα σε βιομόρια μέσω αντιδράσεων που καταλύονται από ένζυμα και μεταβολικών οδών. Είναι συμφέρουσα η χρήση της βιοσύνθεσης αντί της χημικής σύνθεσης επειδή είναι περιβαλλοντικά ασφαλέστερη και τεράστια. Πολλές βιοσυνθετικές μέθοδοι χρησιμοποιούνται επί του παρόντος για παραγωγή μικρής κλίμακας και βιομηχανική παραγωγή μορίων. 

Μερικές εφαρμογές της βιοσύνθεσης

Κυτταρικά εργοστάσια για τη βιοσύνθεση της ινσουλίνης

Μια ποικιλία φαρμακευτικών προϊόντων συντίθενται και διατίθενται στο εμπόριο από εταιρείες, συμπεριλαμβανομένων αντισωμάτων και αρκετών πρωτεϊνών που απαιτούνται σε μεγάλες ποσότητες. Από τα οποία θεραπευτικά μονοκλωνικά αντισώματα είναι το προϊόν που διατίθεται στην αγορά και ακολουθούν ορμόνες και αυξητικοί παράγοντες.

Επί του παρόντος, η ινσουλίνη παράγεται γενικά σε ζύμη και Ε. coli. Νωρίτερα, η ινσουλίνη απομονώθηκε από το χοίρειο και το πάγκρεας των βοοειδών. Η έκφραση ινσουλίνης σε ζύμη και Ε. coli παρείχε μεγαλύτερη απόδοση σε σύντομο χρονικό διάστημα.

Γιατί οι μικροοργανισμοί όπως το E. coli είναι απαραίτητοι για τη βιοσύνθεση της ινσουλίνης;

Οι λόγοι για την προτίμηση του E.coli για τη βιοσύνθεση της ινσουλίνης είναι οι εξής:

  • - Ταχύτερη αναπαραγωγή (ο πληθυσμός διπλασιάζεται κάθε 20 λεπτά)
  • - Περιέχει γονίδια αντοχής στα αντιβιοτικά που περιορίζουν την ανάπτυξη ανεπιθύμητων βακτηρίων.
  • - Εύκολο στο χειρισμό
  • - Χαμηλό κόστος συντήρησης
  • - Υψηλή κερδοφορία

Παλαιότερα, οι άνθρωποι χρησιμοποιούν ινσουλίνη από τα παγκρεατικά κύτταρα των αγελάδων και των χοίρων. Η ινσουλίνη που λαμβάνεται από χοίρο και αγελάδα διαφέρει ελαφρώς από την ανθρώπινη ινσουλίνη και το κόστος συγκομιδής είναι πολύ υψηλό. Θα χρειαζόταν ένας τόνος παγκρεατικού ιστού χοίρου για την παραγωγή λίγων ουγγιών ινσουλίνης. Μαγιά (Saccharomyces cerevisiae) χρησιμοποιείται επίσης για εμπορική παραγωγή ινσουλίνης όπως Ε. coli. Αλλά ο ρυθμός παραγωγής ινσουλίνης που παράγεται σε ζύμη είναι σημαντικά μικρότερος σε σύγκριση με το Ε. coli

Μεταφορά γονιδίου ινσουλίνης από άνθρωπο σε E.coli

Το αντίγραφο του mRNA εξάγεται από τα παγκρεατικά κύτταρα που παράγουν ινσουλίνη (β-κύτταρα του Islet of Langerhans). Η αντίστροφη ένζυμη τρανσκριπτάση συνδέεται με το mRNA και σχηματίζει έναν μονό κλώνο cDNA (συμπληρωματικό DNA). Η DNA πολυμεράση στη συνέχεια πολυμερίζεται περαιτέρω cDNA για να σχηματίσει ένα δίκλωνο DNA. Τα αντίγραφα του DNA στη συνέχεια παρασκευάζονται διενεργώντας αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR). Το ενισχυμένο ϋΝΑ μεταφέρεται σε ένα πλασμίδιο (εξωκυτταρικό κυκλικό DNA) Ε. Coli. Η διαδικασία εισαγωγής DNA / γονιδίου επιτυγχάνεται με κοπή και σύνδεση του πλασμιδίου με περιοριστικά ένζυμα και λιγάση DNA. Αυτό το πλασμίδιο έχει γονίδια αντοχής στα αντιβιοτικά για την τετρακυκλίνη και την αμπικιλλίνη. 

Βιοσύνθεση
Σχήμα 2: Εισαγωγή γονιδίου σε πλασμίδιο
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Recombinant_formation_of_plasmids.svg

           Στο επόμενο βήμα, απαιτείται η εισαγωγή πλασμιδίων στο Ε. Coli. αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως μετασχηματισμός. Η κυτταρική μεμβράνη του Ε. Coli κατασκευάζεται πορώδης και παρασκευάζεται για την πρόσληψη πλασμιδίου εισάγοντας χλωριούχο ασβέστιο στο μέσο που περιέχει το κύτταρο. Μετά από αυτό, τα πλασμίδια εισήχθησαν στο μέσο και τα πλασμίδια προσλήφθηκαν από κύτταρα αφού έδωσαν θερμότητα ή ηλεκτροπληξία (ηλεκτροδιάτρηση) στα κύτταρα. Μετά την ηλεκτροδιάτρηση, υπάρχουν πιθανότητες λήψης δύο τύπων κυττάρων:

- Κύτταρα χωρίς πλασμίδιο

- Κύτταρα με επιθυμητό ανασυνδυασμένο πλασμίδιο που περιέχει γονίδιο ινσουλίνης

Πώς να ταυτοποιήσετε τα επιθυμητά κύτταρα E.coli με ανασυνδυασμένο πλασμίδιο;

Τα ανασυνδυασμένα πλασμίδια, που λαμβάνονται από κύτταρα Ε. Coli, παράγουν αντοχή στα αντιβιοτικά στα κύτταρα E.coli. Με αυτήν την ιδιότητα, τα επιθυμητά κύτταρα διακρίνονται μεταξύ των παραπάνω τύπων κυττάρων E.coli που λαμβάνονται μετά την ηλεκτροπόρωση. Τα κύτταρα που περιέχουν ανασυνδυασμένο πλασμίδιο θα επιβιώσουν στο μέσο που περιέχει αμπικιλλίνη και τετρακυκλίνη. Ωστόσο, τα κύτταρα χωρίς πλασμίδιο δεν θα επιβιώσουν σε αυτό το μέσο.

Σχήμα 3: Σχηματική αναπαράσταση της μεταφοράς πλασμιδίων και αναγνώριση κλώνου. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Artificial_Bacterial_Transformation.svg

Παραγωγή ινσουλίνης

Τα ανασυνδυασμένα κύτταρα E.coli στη συνέχεια απομονώθηκαν, ταυτοποιήθηκαν και στη συνέχεια μεταφέρθηκαν σε έναν μεγάλο ζυμωτή για την παραγωγή τους σε μεγάλη κλίμακα. Τα θρεπτικά συστατικά και τα μέσα ανάπτυξης παρασκευάζονται με την προσθήκη βέλτιστων ποσοτήτων αλατιού, σακχάρου, αζώτου και νερού για E.coli. Η αμπικιλλίνη προστίθεται επίσης στο μέσο ανάπτυξης για τον περιορισμό της ανάπτυξης ανεπιθύμητων κυττάρων και μικροβιακής μόλυνσης. Τα κύτταρα E. coli αναμένεται να διπλασιάσουν τον αριθμό τους κάθε 20-30 λεπτά. Τα κύτταρα E.coli διαιρούνται για αρκετές ημέρες για να αυξήσουν τον αριθμό τους. Μετά από αυτό, αρκετοί χημικοί παράγοντες προστίθενται στο μέσο που ξεκινά την παραγωγή ινσουλίνης αφαιρώντας την κατασταλτική πρωτεΐνη του γονιδίου ινσουλίνης με αποτέλεσμα την ενεργοποίηση του γονιδίου ινσουλίνης.

Επιπλέον, ορισμένοι άλλοι χημικοί παράγοντες προστίθενται για να προκαλέσουν την παραγωγή ινσουλίνης στα κύτταρα E.coli. Μετά από μερικές ώρες, τα κύτταρα E.coli παράγουν σημαντική ποσότητα ινσουλίνης. Ο ζωμός αφαιρείται από τη δεξαμενή ζύμωσης και τα κύτταρα συλλέγονται και διαχωρίζονται από το ζωμό μέσω φυγοκέντρησης. Αρκετοί χημικοί παράγοντες προστέθηκαν για να διαταράξουν την κυτταρική μεμβράνη των κυττάρων E.coli για να απελευθερώσουν ινσουλίνη από τα κύτταρα. Στη συνέχεια, η ινσουλίνη καθαρίζεται και κρυσταλλώνεται με προσθήκη ψευδαργύρου πριν διανεμηθεί στην αγορά.

Γιατί είναι απαραίτητη η συνθετική ινσουλίνη;

Η ανασυνδυασμένη ινσουλίνη ικανοποιεί τις απαιτήσεις παγκοσμίως. Αυτή η διαδικασία παραγωγής ινσουλίνης κατέστησε την ινσουλίνη προσιτή και διαθέσιμη με πολύ καλύτερο τρόπο σε σύγκριση με τις μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν προηγουμένως. Η ανασυνδυασμένη ινσουλίνη έδωσε την ελευθερία σε άτομα που ζουν μια καθημερινή ζωή χωρίς να ανησυχούν πολύ για τα επίπεδα σακχάρου στο αίμα τους. Η βιοσύνθεση της ανασυνδυασμένης ινσουλίνης παρέχει μια ακτίνα ελπίδας για την παραγωγή άλλων ανασυνδυασμένων ορμονών που απαιτούνται σε διάφορες φυσιολογικές συνθήκες.

Βιοσύνθεση καυσίμων

Τι είναι τα βιοκαύσιμα;

Τα βιοκαύσιμα παράγονται γενικά από βιομάζα όπως φυτά και ζωικά απόβλητα. Μπορεί να έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί ως υποκατάστατο των ορυκτών καυσίμων. Σε αντίθεση με τα ορυκτά καύσιμα (όπως άνθρακας, πετρέλαιο, φυσικό και φυσικό αέριο), τα βιοκαύσιμα θεωρούνται καλή πηγή πράσινης και ανανεώσιμης ενέργειας. Είναι γενικά φιλικά προς το περιβάλλον και οικονομικά αποδοτικά, τα βιοκαύσιμα έχουν ένα πολλά υποσχόμενο μέλλον καθώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υποκατάστατο των ορυκτών καυσίμων σε σχέση με την άνοδο των τιμών της βενζίνης και την πιθανή έλλειψη ορυκτών καυσίμων σύντομα. 

Σχήμα 4: Έννοια της βιοσύνθεσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Logo_Renewable_Energy_by_Melanie_Maecker-Tursun_V1_bgGreen.svg

Παραγωγή βιοκαυσίμων

Τα βιοκαύσιμα συντίθενται με τη δράση μικροοργανισμών (γενικά βακτηρίων και μυκήτων). Η βιοαιθανόλη συντίθεται με τη ζύμωση υδατανθράκων, ενώ το βιοντίζελ (εστέρας) λαμβάνεται από τη ζύμωση ελαίων και λιπών. Τα βιοκαύσιμα που λαμβάνονται από τις προαναφερθείσες ουσίες χρησιμοποιούνται από τη ζύμωση υδατανθράκων, ενώ το βιοντίζελ (εστέρας) λαμβάνεται από τη ζύμωση ελαίων και λιπών. Τα βιοκαύσιμα που λαμβάνονται από τις προαναφερόμενες ουσίες χρησιμοποιούνται για την παραγωγή σημαντικής ποσότητας ενέργειας και συμβάλλουν επίσης στην περιβαλλοντική ασφάλεια καθώς επηρεάζουν το περιβάλλον σε ελάχιστο βαθμό. 

Σχήμα 5: πιθανές προσεγγίσεις για την παραγωγή βιοκαυσίμων.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Types_and_generation_of_biofuels.png

Τύποι βιοκαυσίμων

Βιοαιθανόλη: Έχει μια πολλά υποσχόμενη εφαρμογή για χρήση σε κινητήρες εσωτερικής καύσης. Η οικονομικά αποδοτική παραγωγή βιοαιθανόλης το επιτρέπει να χρησιμοποιηθεί ως αντικατάσταση των συμβατικών καυσίμων αυτοκινήτων, όπως βενζίνη και πετρέλαιο. 

Σύνθεση βιοαιθανόλης

Η σύνθεση της βιοαιθανόλης πραγματοποιείται σε 4 στάδια:

- Παραγωγή βιομάζας με τον καθορισμό ατμοσφαιρικού διοξειδίου του άνθρακα.

- Η βιομάζα στη συνέχεια μετατρέπεται σε τροφή (συνήθως γλυκόζη / άμυλο), χρησιμοποιείται περαιτέρω στη ζύμωση.

Η ζύμωση της βιομάζας πραγματοποιείται από μικροοργανισμούς (μαγιά ή βακτήρια), με αποτέλεσμα την παραγωγή συγκέντρωσης αιθανόλης.

- Περαιτέρω επεξεργασία και καθαρισμός αυτού του συμπυκνώματος αιθανόλης αποδίδει βιοαιθανόλη και πολλά υποπροϊόντα. Το τελικό προϊόν μπορεί να χρησιμοποιηθεί περαιτέρω για διάφορους σκοπούς, όπως ηλεκτρική ενέργεια, θερμότητα, άλλες χημικές ενώσεις κ.λπ.

Βιοντίζελ: Τα απόβλητα φυτών, ζώων και κουζίνας μπορούν να μετατραπούν σε βιοντίζελ ακολουθώντας μια σειρά πειραματικών τεχνολογιών. Η διαδικασία ξεκινά εκτελώντας χημικές αντιδράσεις σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, με αποτέλεσμα την παραγωγή εστέρων. Οι εστέρες είναι γλυκές / ευχάριστες μυρωδικές ουσίες και μπορούν να είναι στερεοί ή υγροί και είναι διαλυτοί σε οργανικούς διαλύτες λόγω της μη πολικής / υδρόφοβης φύσης τους. Ο εστέρας που παράγεται τώρα μπορεί εύκολα να μετατραπεί σε βιοντίζελ και γλυκερίνη. Η γλυκερίνη που σχηματίζεται στη διαδικασία είναι ένα υποπροϊόν και μπορεί ενδεχομένως να χρησιμοποιηθεί σε καλλυντικά, λιπαντικά και στοματικά διαλύματα.

Το βιοντίζελ που σχηματίζεται με αυτήν τη μέθοδο δεν απαιτεί περαιτέρω τροποποιήσεις. Ως εκ τούτου, μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας σε καθαρή κατάσταση και να αναμιχθεί με λάδι αερίου για κινητήρες, καυστήρες και πετρελαιοκινητήρες. Η χρήση μεγάλης κλίμακας βιοντίζελ για αυτοκίνητα και βιομηχανική χρήση μπορεί να βοηθήσει τον κόσμο να καταπολεμήσει την κρίση ορυκτών καυσίμων, τους κινδύνους για την υγεία λόγω της ατμοσφαιρικής ρύπανσης και τα προβλήματα εκπομπών θερμοκηπίου σύντομα. Είναι βιοαποικοδομήσιμο και ως εκ τούτου δεν είναι τοξικό.

Βιοσύνθεση υπό το φως της βιοτεχνολογίας

Η σύνθεση ενώσεων με χημικές μεθόδους είναι μια καλά τεκμηριωμένη διαδικασία για την παραγωγή μεγάλης κλίμακας διαφόρων βιομορίων. Ωστόσο, η χημική σύνθεση έχει μερικά μειονεκτήματα όπως αντιδράσεις πολλαπλών σταδίων, ασταθή ενδιάμεσα αντιδράσεων, περίπλοκος έλεγχος διεργασίας κ.λπ.

Η βιοτεχνολογία σχεδιασμού-κατασκευής-αξιολόγησης-βελτιστοποίησης (DCEO) παρέχει μια προσέγγιση για την ανάπτυξη αποτελεσματικών εργοστασίων κυττάρων σε συνδυασμό με εννοιολογικές τεχνικές για το σχεδιασμό μονοπατιών για την εκτέλεση της βιοσύνθεσης. Επιπλέον, το DCEO μπορεί να τροποποιήσει και να βελτιστοποιήσει την υπάρχουσα πορεία / διαδικασία για την παραγωγή επιθυμητών βιοχημικών. Η βιοτεχνολογία DCEO είναι μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση για τη δημιουργία βιοκαλλιεργειών στο μέλλον.

συμπεράσματα

Οι μικροοργανισμοί παρέχουν τόσα πολλά οφέλη όπως τα βιοκαύσιμα, η ινσουλίνη και άλλες ορμόνες και η παραγωγή βιομορίων. Η χρήση βιοντίζελ είναι απαραίτητη για την καταπολέμηση της μελλοντικής κρίσης ορυκτών καυσίμων. Τα βιοκαύσιμα είναι ευεργετικά για το περιβάλλον λόγω της αμελητέας τοξικότητάς τους. Η ανασυνδυασμένη ινσουλίνη είναι πλεονεκτική επειδή μπορεί να παραχθεί χωρίς να θυσιάσει πολλά ζώα και να καταστρέψει το οικοσύστημα. Η διαδικασία είναι οικονομικά αποδοτική, και απαιτείται σημαντικά μικρότερη έκταση για ανάπτυξη, συγκομιδή και καθαρισμό μικροοργανισμών ανασυνδυασμένης πρωτεΐνης. 

Για να μάθετε περισσότερα άρθρα σχετικά με τις προηγμένες επιστήμες Κάνε κλικ εδώ

Σχετικά με τον Δρ. Abdullah Arsalan

Είμαι ο Αμπντουλάχ Αρσλάν, Ολοκλήρωσε το διδακτορικό μου στη Βιοτεχνολογία. Έχω 7 χρόνια ερευνητικής εμπειρίας. Έχω δημοσιεύσει έως τώρα 6 δημοσιεύσεις στα περιοδικά διεθνούς φήμης με μέσο συντελεστή αντίκτυπου 4.5 και λίγα ακόμη είναι υπό εξέταση. Έχω παρουσιάσει ερευνητικές εργασίες σε διάφορα εθνικά και διεθνή συνέδρια. Το αντικείμενο που ενδιαφέρομαι είναι η βιοτεχνολογία και η βιοχημεία με ιδιαίτερη έμφαση στη χημεία πρωτεϊνών, την ενζυμολογία, την ανοσολογία, τις βιοφυσικές τεχνικές και τη μοριακή βιολογία.

Ας συνδεθούμε μέσω του LinkedIn (https://www.linkedin.com/in/abdullah-arsalan-a97a0a88/) ή του μελετητή Google (https://scholar.google.co.in/citations?user=AeZVWO4AAAAJ&hl=el).

Lambda Geeks