La ingeniería biomolecular es la aplicación de principios y prácticas de ingeniería a la manipulación intencionada de moléculas de origen biológico. Los ingenieros biomoleculares integran el conocimiento de los procesos biológicos con el conocimiento básico de la ingeniería química para enfocarse en soluciones de nivel molecular a problemas y problemas en las ciencias de la vida relacionados con el medio ambiente , la agricultura , la energía , la industria , la producción de alimentos , la biotecnología y la medicina.
Los ingenieros biomoleculares manipulan deliberadamente carbohidratos , proteínas , ácidos nucleicos y lípidos dentro del marco de la relación entre su estructura (ver: estructura de ácidos nucleicos , química de carbohidratos , estructura de proteínas ), función (ver: función de proteínas ) y propiedades y en relación con la aplicabilidad. a áreas como la remediación ambiental , la producción agrícola y ganadera, las células de biocombustible y el diagnóstico biomolecular. La termodinámica y cinética del reconocimiento molecular en enzimas , anticuerpos , hibridación de ADN., se estudian bioconjugación / bioinmovilización y bioseparaciones. También se presta atención a los rudimentos de biomoléculas diseñadas en señalización celular, cinética de crecimiento celular, ingeniería de vías bioquímicas e ingeniería de biorreactores.
Cronología
Historia
Durante la Segunda Guerra Mundial, [1] la necesidad de grandes cantidades de penicilina de calidad aceptable reunió a ingenieros químicos y microbiólogos para centrarse en la producción de penicilina. Esto creó las condiciones adecuadas para iniciar una cadena de reacciones que conducen a la creación del campo de la ingeniería biomolecular. La ingeniería biomolecular fue definida por primera vez en 1992 por los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU. Como una investigación en la interfaz de la ingeniería química y la biología con énfasis en el nivel molecular ". Aunque se definió inicialmente como investigación, la ingeniería biomolecular se ha convertido desde entonces en una disciplina académica y un campo de la ingeniería práctica. Herceptin , un humanizado Mab para el tratamiento del cáncer de mama, se convirtió en el primer fármaco diseñado por un enfoque de ingeniería biomolecular y fue aprobada por la FDA de Estados Unidos . Además, ingeniería biomolecular era un antiguo nombre de la revista Nueva Biotecnología .
Futuro
Las tecnologías bioinspiradas del futuro pueden ayudar a explicar la ingeniería biomolecular. Mirando la ley de Moore "Predicción", en el futuro los procesadores cuánticos y basados en biología son tecnologías "grandes". Con el uso de la ingeniería biomolecular, la forma en que funcionan nuestros procesadores se puede manipular para que funcionen en el mismo sentido en que funciona una célula biológica. La ingeniería biomolecular tiene el potencial de convertirse en una de las disciplinas científicas más importantes debido a sus avances en el análisis de patrones de expresión génica, así como a la manipulación intencionada de muchas biomoléculas importantes para mejorar la funcionalidad. La investigación en este campo puede conducir a nuevos descubrimientos de fármacos, terapias mejoradas y avances en nuevas tecnologías de bioprocesos. Con el conocimiento cada vez mayor de las biomoléculas, la tasa de búsqueda de nuevas moléculas de alto valor, incluidos, entre otros , anticuerpos , enzimas , vacunas y péptidos terapéuticos , seguirá acelerándose. La ingeniería biomolecular producirá nuevos diseños de fármacos terapéuticos y biomoléculas de alto valor para el tratamiento o la prevención de cánceres, enfermedades genéticas y otros tipos de enfermedades metabólicas . Además, se anticipan enzimas industriales que están diseñadas para tener propiedades deseables para la mejora del proceso, así como para la fabricación de productos biomoleculares de alto valor a un costo de producción mucho menor. Utilizando tecnología recombinante , también se producirán nuevos antibióticos que sean activos contra cepas resistentes. [2]
Biomoléculas básicas
La ingeniería biomolecular se ocupa de la manipulación de muchas biomoléculas clave. Estos incluyen, pero no se limitan a, proteínas, carbohidratos, ácidos nucleicos y lípidos. Estas moléculas son los componentes básicos de la vida y, al controlar, crear y manipular su forma y función, hay muchas nuevas vías y ventajas disponibles para la sociedad. Dado que cada biomolécula es diferente, se utilizan varias técnicas para manipular cada una de ellas, respectivamente.
Proteínas
Las proteínas son polímeros que están formados por cadenas de aminoácidos unidas por enlaces peptídicos . Tienen cuatro niveles distintos de estructura: primario, secundario, terciario y cuaternario. La estructura primaria se refiere a la secuencia de la cadena principal de aminoácidos. La estructura secundaria se centra en conformaciones menores que se desarrollan como resultado del enlace de hidrógeno entre la cadena de aminoácidos. Si la mayor parte de la proteína contiene enlaces de hidrógeno intermoleculares, se dice que es fibrilar y la mayor parte de su estructura secundaria serán láminas beta . Sin embargo, si la mayor parte de la orientación contiene enlaces de hidrógeno intramoleculares, entonces la proteína se denomina globular y se compone principalmente de hélices alfa . También hay conformaciones que consisten en una mezcla de hélices alfa y hojas beta, así como hélices beta con hojas alfa .
La estructura terciaria de las proteínas se ocupa de su proceso de plegamiento y de cómo se organiza la molécula en general. Finalmente, una estructura cuaternaria es un grupo de proteínas terciarias que se unen y se unen. Con todos estos niveles, las proteínas tienen una amplia variedad de lugares en los que pueden manipularse y ajustarse. Se utilizan técnicas para afectar la secuencia de aminoácidos de la proteína (mutagénesis dirigida al sitio), el plegamiento y conformación de la proteína o el plegamiento de una única proteína terciaria dentro de una matriz proteica cuaternaria. Las proteínas que son el foco principal de manipulación suelen ser enzimas . Son proteínas que actúan como catalizadores de reacciones bioquímicas . Al manipular estos catalizadores, se pueden controlar las velocidades de reacción, los productos y los efectos. Las enzimas y las proteínas son importantes para el campo biológico y la investigación de que existen divisiones específicas de ingeniería que se centran solo en proteínas y enzimas.
Carbohidratos
Los carbohidratos son otra biomolécula importante. Estos son polímeros, llamados polisacáridos , que están formados por cadenas de azúcares simples conectadas mediante enlaces glicosídicos . Estos monosacáridos consisten en un anillo de cinco a seis carbonos que contiene carbono, hidrógeno y oxígeno, típicamente en una proporción de 1: 2: 1, respectivamente. Los monosacáridos comunes son glucosa , fructosa y ribosa. Cuando se unen entre sí, los monosacáridos pueden formar disacáridos , oligosacáridos y polisacáridos: la nomenclatura depende del número de monosacáridos unidos entre sí. Los disacáridos comunes, dos monosacáridos unidos, son sacarosa , maltosa y lactosa . Los polisacáridos importantes, enlaces de muchos monosacáridos, son la celulosa , el almidón y la quitina .
La celulosa es un polisacárido formado por enlaces beta 1-4 entre monómeros de glucosa repetidos. Es la fuente de azúcar más abundante en la naturaleza y es una parte importante de la industria del papel. El almidón también es un polisacárido compuesto por monómeros de glucosa; sin embargo, están conectados a través de un enlace alfa 1-4 en lugar de beta. Los almidones, en particular la amilasa , son importantes en muchas industrias, incluidas la papelera, la cosmética y la alimentaria. La quitina es una derivación de la celulosa, que posee un grupo acetamida en lugar de un –OH en uno de sus carbonos. El grupo acetimida se desacetila y la cadena del polímero se denomina quitosano . Ambos derivados de la celulosa son una fuente importante de investigación para las industrias biomédica y alimentaria . Se ha demostrado que ayudan con la coagulación de la sangre , tienen propiedades antimicrobianas y aplicaciones dietéticas. Mucha ingeniería e investigación se centra en el grado de desacetilación que proporciona el resultado más eficaz para aplicaciones específicas.
Ácidos nucleicos
Los ácidos nucleicos son macromoléculas que consisten en ADN y ARN que son biopolímeros que consisten en cadenas de biomoléculas. Estas dos moléculas son el código genético y la plantilla que hacen posible la vida. La manipulación de estas moléculas y estructuras provoca cambios importantes en la función y expresión de otras macromoléculas. Los nucleósidos son glicosilaminas que contienen una nucleobase unida a la ribosa o al azúcar desoxirribosa a través de un enlace beta-glicosídico. La secuencia de las bases determina el código genético. Los nucleótidos son nucleósidos fosforilados por quinasas específicas mediante un enlace fosfodiéster . [3] Los nucleótidos son las unidades estructurales repetidas de los ácidos nucleicos. Los nucleótidos están hechos de una base nitrogenada, una pentosa (ribosa para ARN o desoxirribosa para ADN) y tres grupos fosfato. Ver, mutagénesis dirigida al sitio , ADN recombinante y ELISA .
Lípidos
Los lípidos son biomoléculas que están formadas por derivados de glicerol unidos con cadenas de ácidos grasos . El glicerol es un poliol simple que tiene una fórmula de C3H5 (OH) 3. Los ácidos grasos son cadenas de carbono largas que tienen un grupo de ácido carboxílico al final. Las cadenas de carbono pueden estar saturadas con hidrógeno; cada enlace de carbono está ocupado por un átomo de hidrógeno o un enlace sencillo a otro carbono en la cadena de carbono, o pueden estar insaturados; es decir, hay dobles enlaces entre los átomos de carbono de la cadena. Los ácidos grasos comunes incluyen ácido láurico , ácido esteárico y ácido oleico . El estudio y la ingeniería de lípidos se centra típicamente en la manipulación de membranas lipídicas y la encapsulación. Las membranas celulares y otras membranas biológicas consisten típicamente en una membrana de bicapa de fosfolípidos , o un derivado de la misma. Junto con el estudio de las membranas celulares, los lípidos también son moléculas importantes para el almacenamiento de energía. Al utilizar las propiedades de encapsulación y las características termodinámicas , los lípidos se convierten en activos importantes en el control de la estructura y la energía cuando se diseñan moléculas.
De moléculas
ADN recombinante
El ADN recombinante son biomoléculas de ADN que contienen secuencias genéticas que no son nativas del genoma del organismo. Usando técnicas recombinantes, es posible insertar, eliminar o alterar una secuencia de ADN con precisión sin depender de la ubicación de los sitios de restricción. El ADN recombinante se utiliza para una amplia gama de aplicaciones.
Método
El método tradicional para crear ADN recombinante generalmente implica el uso de plásmidos en la bacteria huésped. El plásmido contiene una secuencia genética correspondiente al sitio de reconocimiento de una endonucleasa de restricción, como EcoR1 . Después de que los fragmentos de ADN extraños, que también se cortaron con la misma endonucleasa de restricción, se insertaron en la célula huésped, el gen de la endonucleasa de restricción se expresa aplicando calor [4] o introduciendo una biomolécula, como arabinosa. [5] Tras la expresión, la enzima escindirá el plásmido en su sitio de reconocimiento correspondiente creando extremos pegajosos en el plásmido. Las ligasas luego unen los extremos pegajosos a los extremos pegajosos correspondientes de los fragmentos de ADN extraño creando un plásmido de ADN recombinante.
Los avances en la ingeniería genética han hecho que la modificación de genes en microbios sea bastante eficiente, lo que permite realizar construcciones en aproximadamente una semana. También ha permitido modificar el propio genoma del organismo. Específicamente, el uso de genes del bacteriófago lambda se usa en la recombinación. [6] Este mecanismo, conocido como recombinación , utiliza las tres proteínas Exo, Beta y Gam, que son creadas por los genes exo, bet y gam respectivamente. Exo es una exonucleasa de ADN de doble hebra con actividad de 5 'a 3'. Corta el ADN de doble hebra dejando salientes 3 '. Beta es una proteína que se une al ADN monocatenario y ayuda a la recombinación homóloga al promover el apareamiento entre las regiones de homología del ADN insertado y el ADN cromosómico. Gam funciona para proteger el inserto de ADN de ser destruido por nucleasas nativas dentro de la célula.
Aplicaciones
El ADN recombinante se puede diseñar para una amplia variedad de propósitos. Las técnicas utilizadas permiten la modificación específica de genes haciendo posible modificar cualquier biomolécula. Puede diseñarse para fines de laboratorio, donde se puede utilizar para analizar genes en un organismo determinado. En la industria farmacéutica, las proteínas se pueden modificar mediante técnicas de recombinación. Algunas de estas proteínas incluyen insulina humana . La insulina recombinante se sintetiza insertando el gen de la insulina humana en E. coli , que luego produce insulina para uso humano. [7] [8] Otras proteínas, como la hormona del crecimiento humano , [9] el factor VIII y la vacuna contra la hepatitis B se producen utilizando métodos similares. El ADN recombinante también se puede utilizar para métodos de diagnóstico que implican el uso del método ELISA . Esto hace posible diseñar antígenos, así como las enzimas unidas, para reconocer diferentes sustratos o ser modificados para bioinmovilización. El ADN recombinante también es responsable de muchos productos que se encuentran en la industria agrícola. Los alimentos genéticamente modificados , como el arroz dorado , [10] han sido diseñados para aumentar la producción de vitamina A para su uso en sociedades y culturas donde la vitamina A en la dieta es escasa. Otras propiedades que se han introducido en los cultivos incluyen la resistencia a los herbicidas [11] y la resistencia a los insectos. [12]
Mutagénesis dirigida al sitio
La mutagénesis dirigida al sitio es una técnica que existe desde la década de 1970. Los primeros días de investigación en este campo arrojaron descubrimientos sobre el potencial de ciertas sustancias químicas como el bisulfito y la aminopurina para cambiar ciertas bases en un gen. Esta investigación continuó y se desarrollaron otros procesos para crear ciertas secuencias de nucleótidos en un gen, como el uso de enzimas de restricción para fragmentar ciertas cadenas virales y usarlas como cebadores para plásmidos bacterianos. El método moderno, desarrollado por Michael Smith en 1978, utiliza un oligonucleótido que es complementario a un plásmido bacteriano con un solo desajuste de pares de bases o una serie de desajustes. [13]
Procedimiento general
La mutagénesis dirigida al sitio es una técnica valiosa que permite el reemplazo de una sola base en un oligonucleótido o gen. Los fundamentos de esta técnica implican la preparación de un cebador que será una hebra complementaria de un plásmido bacteriano de tipo salvaje. Este cebador tendrá un desajuste de pares de bases en el sitio donde se desea el reemplazo. El cebador también debe ser lo suficientemente largo como para que se hibrile con el plásmido de tipo salvaje. Después de que el cebador se hibrida, una ADN polimerasa completará el cebador. Cuando se replica el plásmido bacteriano, la hebra mutada también se replicará. La misma técnica se puede utilizar para crear una inserción o deleción de un gen. A menudo, se inserta un gen resistente a los antibióticos junto con la modificación de interés y las bacterias se cultivan en un medio antibiótico. Las bacterias que no se mutaron con éxito no sobrevivirán en este medio y las bacterias mutadas se pueden cultivar fácilmente.
Aplicaciones
La mutagénesis dirigida al sitio puede ser útil por muchas razones diferentes. Un reemplazo de un solo par de bases podría cambiar un codón y, por lo tanto, reemplazar un aminoácido en una proteína. Esto es útil para estudiar la forma en que se comportan ciertas proteínas. También es útil porque las enzimas se pueden manipular a propósito cambiando ciertos aminoácidos. Si se cambia un aminoácido que está muy cerca del sitio activo, los parámetros cinéticos pueden cambiar drásticamente o la enzima puede comportarse de una manera diferente. Otra aplicación de la mutagénesis dirigida al sitio es el intercambio de un residuo de aminoácido lejos del sitio activo con un residuo de lisina o un residuo de cisteína . Estos aminoácidos facilitan la unión covalente de la enzima a una superficie sólida, lo que permite la reutilización y el uso de enzimas en procesos continuos. A veces, se agregan a las proteínas aminoácidos con grupos funcionales no naturales (como cetonas y azidas) [14]. Estas adiciones pueden ser para facilitar la bioconjugación o para estudiar los efectos de los cambios de aminoácidos en la forma y función de las proteínas. . El acoplamiento de mutagénesis dirigida al sitio y PCR se está utilizando para reducir la actividad de la interleucina-6 en células cancerosas. [15] La bacteria bacillus subtilis se usa a menudo en mutagénesis dirigida al sitio. [16] La bacteria secreta una enzima llamada subtilisina a través de la pared celular. Los ingenieros biomoleculares pueden manipular deliberadamente este gen para convertir esencialmente a la célula en una fábrica para producir cualquier proteína que se inserte en los códigos del gen.
Bioinmovilización y bioconjugación.
La bioinmovilización y bioconjugación es la manipulación intencionada de la movilidad de una biomolécula por medios químicos o físicos para obtener una propiedad deseada. La inmovilización de biomoléculas permite aprovechar las características de la molécula en entornos controlados. Por ejemplo [17] , la inmovilización de glucosa oxidasa en perlas de gel de alginato de calcio puede usarse en un biorreactor. El producto resultante no necesitará purificación para eliminar la enzima porque permanecerá unido a las perlas de la columna. Ejemplos de tipos de biomoléculas que están inmovilizadas son enzimas, orgánulos y células completas. Las biomoléculas se pueden inmovilizar utilizando una variedad de técnicas. Los más populares son el atrapamiento físico, la adsorción y la modificación covalente.
- Atrapamiento físico [18] : el uso de un polímero para contener la biomolécula en una matriz sin modificación química. El atrapamiento puede ocurrir entre celosías de polímero, conocido como atrapamiento de gel, o dentro de microcavidades de fibras sintéticas, conocido como atrapamiento de fibras. Los ejemplos incluyen el atrapamiento de enzimas como la glucosa oxidasa en una columna de gel para su uso como biorreactor . Una característica importante del atrapamiento es que el biocatalizador permanece estructuralmente sin cambios, pero crea grandes barreras de difusión para los sustratos.
- Adsorción : inmovilización de biomoléculas debido a la interacción entre la biomolécula y los grupos de soporte. Puede ser adsorción física, unión iónica o quelación de unión a metales. Estas técnicas se pueden realizar en condiciones suaves y relativamente sencillas, aunque los enlaces dependen en gran medida del pH, el disolvente y la temperatura. Los ejemplos incluyen ensayos inmunoabsorbentes ligados a enzimas.
- Modificación covalente: implica reacciones químicas entre ciertos grupos funcionales y la matriz. Este método forma un complejo estable entre la biomolécula y la matriz y es adecuado para la producción en masa. Debido a la formación de enlaces químicos a grupos funcionales, puede producirse una pérdida de actividad. Ejemplos de químicas utilizadas son el acoplamiento DCC [19] el acoplamiento PDC y el acoplamiento EDC / NHS, todos los cuales aprovechan las aminas reactivas en la superficie de la biomolécula.
Debido a que la inmovilización restringe la biomolécula, se debe tener cuidado para asegurar que la funcionalidad no se pierda por completo. Las variables a considerar son el pH, la temperatura [20] , la elección del disolvente, la fuerza iónica, la orientación de los sitios activos debido a la conjugación. Para las enzimas, la conjugación reducirá la velocidad cinética debido a un cambio en la estructura tridimensional, por lo que se debe tener cuidado para garantizar que no se pierda la funcionalidad. La bioinmovilización se utiliza en tecnologías como bioensayos de diagnóstico , biosensores , ELISA y bioseparaciones. La interleucina (IL-6) también se puede bioinmovilizar en biosensores. La capacidad de observar estos cambios en los niveles de IL-6 es importante para diagnosticar una enfermedad. Un paciente con cáncer tendrá un nivel elevado de IL-6 y el control de esos niveles permitirá al médico observar el progreso de la enfermedad. Una inmovilización directa de IL-6 en la superficie de un biosensor ofrece una alternativa rápida al ELISA . [21]
Reacción en cadena de la polimerasa
La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) es una técnica científica que se utiliza para replicar un fragmento de una molécula de ADN en varios órdenes de magnitud. La PCR implementa un ciclo de calentamiento y enfriamiento repetidos conocido como ciclo térmico junto con la adición de cebadores de ADN y ADN polimerasas para replicar selectivamente el fragmento de ADN de interés. La técnica fue desarrollada por Kary Mullis en 1983 mientras trabajaba para Cetus Corporation . Mullis ganaría el Premio Nobel de Química en 1993 como resultado del impacto que tuvo la PCR en muchas áreas, como la clonación de ADN , la secuenciación de ADN y el análisis de genes. [22]
Técnicas de ingeniería biomolecular implicadas en la PCR
Varias estrategias de ingeniería biomolecular han jugado un papel muy importante en el desarrollo y la práctica de la PCR . Por ejemplo, un paso crucial para garantizar la replicación precisa del fragmento de ADN deseado es la creación del cebador de ADN correcto . El método más común de síntesis de cebadores es el método de la fosforamidita . Este método incluye la ingeniería biomolecular de varias moléculas para lograr la secuencia de cebador deseada. La técnica de ingeniería biomolecular más destacada que se observa en este método de diseño de cebadores es la bioinmovilización inicial de un nucleótido en un soporte sólido. Este paso se realiza comúnmente mediante la formación de un enlace covalente entre el grupo 3'-hidroxi del primer nucleótido del cebador y el material de soporte sólido. [23]
Además, a medida que se crea el cebador de ADN, ciertos grupos funcionales de nucleótidos que se añaden al cebador en crecimiento requieren bloqueo para evitar reacciones secundarias no deseadas. Este bloqueo de grupos funcionales, así como el posterior desbloqueo de los grupos, el acoplamiento de los nucleótidos posteriores y la eventual escisión del soporte sólido [23] son métodos de manipulación de biomoléculas que pueden atribuirse a la ingeniería biomolecular. El aumento de los niveles de interleucina es directamente proporcional al aumento de la tasa de mortalidad en pacientes con cáncer de mama. La PCR combinada con Western blot y ELISA ayudan a definir la relación entre las células cancerosas y la IL-6. [24]
Ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas (ELISA)
El ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas es un ensayo que utiliza el principio de reconocimiento de anticuerpos y antígenos para comprobar la presencia de determinadas sustancias. Los tres tipos principales de ELISA pruebas que son indirecto ELISA , sandwich ELISA , y competitivo ELISA todos se basan en el hecho de que los anticuerpos tienen una afinidad para uno específico sólo antígeno . Además, estos antígenos o anticuerpos pueden unirse a enzimas que pueden reaccionar para crear un resultado colorimétrico que indique la presencia del anticuerpo o antígeno de interés. [25] Los ensayos inmunoabsorbentes ligados a enzimas se utilizan con mayor frecuencia como pruebas de diagnóstico para detectar anticuerpos contra el VIH en muestras de sangre para detectar el VIH, moléculas de gonadotropina coriónica humana en la orina para indicar embarazo y anticuerpos contra Mycobacterium tuberculosis en la sangre para analizar a los pacientes en busca de tuberculosis. Además, ELISA también se usa ampliamente como una prueba de toxicología para analizar el suero de las personas para detectar la presencia de drogas ilegales.
Técnicas involucradas en ELISA
Aunque hay tres tipos diferentes de ensayos inmunoabsorbentes ligados a enzimas en estado sólido , los tres tipos comienzan con la bioinmovilización de un anticuerpo o antígeno en una superficie. Esta bioinmovilización es la primera instancia de ingeniería biomolecular que se puede ver en la implementación de ELISA . Este paso se puede realizar de varias formas, incluido un enlace covalente a una superficie que puede estar recubierta con proteína u otra sustancia. La bioinmovilización también se puede realizar mediante interacciones hidrofóbicas entre la molécula y la superficie. Debido a que hay muchos tipos diferentes de ELISA que se utilizan para muchos propósitos diferentes, la ingeniería biomolecular que requiere este paso varía según el propósito específico del ELISA .
Otra técnica de ingeniería biomolecular que se utiliza en el desarrollo de ELISA es la bioconjugación de una enzima a un anticuerpo o antígeno, dependiendo del tipo de ELISA . Hay mucho que considerar en la bioconjugación de esta enzima , como evitar la interferencia con el sitio activo de la enzima , así como con el sitio de unión del anticuerpo en el caso de que el anticuerpo esté conjugado con la enzima . Esta bioconjugación se realiza comúnmente creando enlaces cruzados entre las dos moléculas de interés y puede requerir una amplia variedad de reactivos diferentes dependiendo de la naturaleza de las moléculas específicas. [26]
La interleucina (IL-6) es una proteína de señalización que se sabe que está presente durante una respuesta inmune. El uso del ELISA tipo sándwich cuantifica la presencia de esta citocina en muestras de líquido cefalorraquídeo o médula ósea. [27]
Aplicaciones y campos
En la industria
La ingeniería biomolecular es una disciplina extensa con aplicaciones en muchas industrias y campos diferentes. Como tal, es difícil precisar una perspectiva general sobre la profesión de la ingeniería biomolecular. La industria de la biotecnología, sin embargo, ofrece una representación adecuada. La industria de la biotecnología, o industria de la biotecnología, abarca todas las empresas que utilizan la biotecnología para producir bienes o servicios o para realizar investigación y desarrollo de biotecnología. [28] De esta manera, abarca muchas de las aplicaciones industriales de la disciplina de la ingeniería biomolecular. Al examinar la industria biotecnológica, se puede deducir que el principal líder de la industria es Estados Unidos, seguido de Francia y España. [28] También es cierto que el enfoque de la industria de la biotecnología y la aplicación de la ingeniería biomolecular es principalmente clínico y médico. La gente está dispuesta a pagar por una buena salud, por lo que la mayor parte del dinero destinado a la industria biotecnológica se destina a empresas relacionadas con la salud. [ cita requerida ]
Aumentar proporcionalmente
La ampliación de un proceso implica el uso de datos de una operación a escala experimental (modelo o planta piloto) para el diseño de una unidad grande (ampliada), de tamaño comercial. La ampliación es una parte fundamental de la comercialización de un proceso. Por ejemplo, la insulina producida por la bacteria Escherichia coli genéticamente modificada se inicializó a escala de laboratorio, pero para que fuera comercialmente viable tuvo que ampliarse a un nivel industrial. Para lograr esta ampliación, se tuvo que utilizar una gran cantidad de datos de laboratorio para diseñar unidades de tamaño comercial. Por ejemplo, uno de los pasos en la producción de insulina implica la cristalización de insulina glargina de alta pureza. [30] Para lograr este proceso a gran escala, queremos mantener igual la relación Potencia / Volumen de los cristalizadores tanto a escala de laboratorio como a gran escala para lograr una mezcla homogénea. [31] También asumimos que el cristalizador a escala de laboratorio tiene similitud geométrica con el cristalizador a gran escala. Por lo tanto,
P / V α N i 3 d i 3
donde d i = diámetro del impulsor del cristalizador
N i = velocidad de rotación del impulsor
Industrias relacionadas
Bioingeniería
Término amplio que abarca toda la ingeniería aplicada a las ciencias de la vida. Este campo de estudio utiliza los principios de la biología junto con los principios de la ingeniería para crear productos comercializables. Algunas aplicaciones de bioingeniería incluyen:
- Biomimética : el estudio y desarrollo de sistemas sintéticos que imitan la forma y función de sustancias y procesos naturales producidos biológicamente.
- Ingeniería de bioprocesos : el estudio y desarrollo de equipos de proceso y la optimización que ayuda en la producción de muchos productos, como alimentos y productos farmacéuticos .
- Microbiología industrial : la implementación de microorganismos en la producción de productos industriales como alimentos y antibióticos . Otra aplicación común de la microbiología industrial es el tratamiento de aguas residuales en plantas químicas mediante la utilización de ciertos microorganismos .
Bioquímica
La bioquímica es el estudio de los procesos químicos en los organismos vivos, que incluyen, entre otros, la materia viva. Los procesos bioquímicos gobiernan todos los organismos vivos y los procesos vivos y el campo de la bioquímica busca comprender y manipular estos procesos.
Ingeniería bioquímica
- Biocatálisis : transformaciones químicas mediante enzimas .
- Bioseparaciones : separación de moléculas biológicamente activas.
- Termodinámica y cinética (química) - Análisis de reacciones que involucran crecimiento celular y bioquímicos.
- Biorreactor de diseño y análisis - Diseño de reactores para la realización de transformaciones bioquímicas.
Biotecnología
- Biomateriales : diseño, síntesis y producción de nuevos materiales para soportar células y tejidos.
- Ingeniería genética : manipulación intencionada de los genomas de los organismos para producir nuevos rasgos fenotípicos.
- Bioelectrónica , Biosensor y Biochip : dispositivos y sistemas diseñados para medir, monitorear y controlar procesos biológicos.
- Ingeniería de bioprocesos : diseño y mantenimiento de procesos basados en células y enzimas para la producción de productos químicos y farmacéuticos finos.
Ingeniería bioeléctrica
La ingeniería bioeléctrica involucra los campos eléctricos generados por células u organismos vivos. Los ejemplos incluyen el potencial eléctrico desarrollado entre músculos o nervios del cuerpo. Esta disciplina requiere conocimientos en los campos de la electricidad y la biología para comprender y utilizar estos conceptos para mejorar o mejorar los bioprocesos o la tecnología actual.
- Bioelectroquímica : química relacionada con el transporte de electrones / protones a través de la célula
- Bioelectrónica : campo de investigación que combina biología y electrónica
Ingeniería Biomédica
La ingeniería biomédica es una subcategoría de la bioingeniería que utiliza muchos de los mismos principios, pero se centra más en las aplicaciones médicas de los diversos desarrollos de ingeniería. Algunas aplicaciones de la ingeniería biomédica incluyen:
- Biomateriales - Diseño de nuevos materiales para implantación en el cuerpo humano y análisis de su efecto en el organismo.
- Ingeniería celular : diseño de nuevas células utilizando ADN recombinante y desarrollo de procedimientos para permitir que las células normales se adhieran a biomateriales implantados artificiales.
- Ingeniería de tejidos : diseño de nuevos tejidos a partir de los bloques de construcción biológicos básicos para formar nuevos tejidos.
- Órganos artificiales : aplicación de la ingeniería de tejidos a órganos completos
- Imágenes médicas : imágenes de tejidos mediante tomografía computarizada , resonancia magnética , ultrasonido , rayos X u otras tecnologías.
- Óptica médica y láseres: aplicación de láseres al diagnóstico y tratamiento médico
- Ingeniería de rehabilitación : diseño de dispositivos y sistemas utilizados para ayudar a los discapacitados
- Interfaz hombre-máquina: control de robots quirúrgicos y sistemas de diagnóstico y terapéuticos remotos mediante seguimiento ocular, reconocimiento de voz y controles de ondas musculares y cerebrales
- Factores humanos y ergonomía : diseño de sistemas para mejorar el desempeño humano en una amplia gama de aplicaciones
Ingeniería Química
La ingeniería química es el procesamiento de materias primas en productos químicos. Implica la preparación de materias primas para producir reactivos, la reacción química de estos reactivos en condiciones controladas, la separación de productos, el reciclaje de subproductos y la eliminación de desechos. Cada paso involucra ciertos bloques de construcción básicos llamados "operaciones unitarias", como extracción, filtración y destilación. [32] Estas operaciones unitarias se encuentran en todos los procesos químicos. La ingeniería biomolecular es un subconjunto de la ingeniería química que aplica estos mismos principios al procesamiento de sustancias químicas elaboradas por organismos vivos.
Educación y programas
Los programas de pregrado recientemente desarrollados y ofrecidos en los Estados Unidos, a menudo combinados con el programa de ingeniería química, permiten a los estudiantes obtener una licenciatura . Según ABET (Junta de Acreditación de Ingeniería y Tecnología), los planes de estudio de ingeniería biomolecular "deben proporcionar una base sólida en las ciencias básicas, incluidas la química, la física y la biología, con algún contenido de nivel avanzado ... [y] aplicación de ingeniería de estas ciencias básicas para diseño, análisis y control de procesos químicos, físicos y / o biológicos ". [33] Los planes de estudio comunes consisten en importantes cursos de ingeniería que incluyen transporte, termodinámica, separaciones y cinética, con adiciones de cursos de ciencias de la vida que incluyen biología y bioquímica, e incluyen cursos biomoleculares especializados que se centran en biología celular, nano y biotecnología, biopolímeros, etc. [34]
Ver también
- Biomiméticos
- Biofarmacéuticos
- Ingeniería de bioprocesos
- Lista de biomoléculas
- Ingeniería molecular
Referencias
- ^ Steinert, David (2000) La historia de la medicina de la Segunda Guerra Mundial: "Copia archivada" . Archivado desde el original el 13 de abril de 2010 . Consultado el 12 de abril de 2012 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
- ^ Ryu, DDY; Nam, D.-H. (2000). "Avances recientes en ingeniería biomolecular". Biotechnol. Prog . 16 (1): 2-16. doi : 10.1021 / bp088059d . PMID 10662483 .
- ^ Slabaugh, Michael R. y Seager, Spencer L. (2007). Orgánica y bioquímica para hoy (6ª ed.). Pacific Grove: Brooks Cole. ISBN 978-0-495-11280-8.
- ^ Reddi, OD (2000). Tecnología de ADN recombinante: un manual de laboratorio . Nueva Delhi: Allied Publishers. págs. 65–80.
- ^ Datsenko, KA ; Wanner, BL (6 de junio de 2000). "Inactivación en un solo paso de genes cromosómicos en Escherichia coli K-12 usando productos de PCR" . PNAS . 97 (12): 6640–6645. Código Bibliográfico : 2000PNAS ... 97.6640D . doi : 10.1073 / pnas.120163297 . PMC 18686 . PMID 10829079 .
- ^ Sharan, KS ; Thomason, LC ; Kuznetsov, SG ; Court, DL (29 de enero de 2009). "Recombineering: un método de ingeniería genética basado en recombinación homóloga" . Protocolos de la naturaleza . 4 (2): 206–223. doi : 10.1038 / nprot.2008.227 . PMC 2790811 . PMID 19180090 .
- ^ Gualandi-Signorini, A .; Giorgi, G. (2001). "Formulaciones de insulina - una revisión". Revista europea de ciencias médicas y farmacológicas . 5 (3): 73–83. PMID 12004916 .
- ^ "Insulina humana" .
- ^ Von Fange, T .; McDiarmid, T .; MacKler, L .; Zolotor, A. (2008). "Consultas clínicas: ¿puede la hormona de crecimiento recombinante tratar eficazmente la baja estatura idiopática?". La revista de medicina familiar . 57 (9): 611–612. PMID 18786336 .
- ^ Ye, X .; Al-Babili, S .; Klöti, A .; Zhang, J .; Lucca, P .; Beyer, P. (2000). "Ingeniería de la vía biosintética de provitamina A (betacaroteno) en endospermo de arroz (libre de carotenoides)". Ciencia . 287 (5451): 303–305. Código Bibliográfico : 2000Sci ... 287..303Y . doi : 10.1126 / science.287.5451.303 . PMID 10634784 .
- ^ Funke, T .; Han, H .; Healy-Fried, M .; Fischer, M .; Schönbrunn, E. (2006). "Base molecular para la resistencia a herbicidas de cultivos Roundup Ready" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 103 (35): 13010–13015. Código Bibliográfico : 2006PNAS..10313010F . doi : 10.1073 / pnas.0603638103 . PMC 1559744 . PMID 16916934 .
- ^ Paine, JA ; Shipton, CA ; Chagger, S .; Howells, RM ; Kennedy, MJ ; Vernon, G .; Wright, SY ; Hinchliffe, E. (2005). "Mejora del valor nutricional del arroz dorado mediante un mayor contenido de provitamina a". Biotecnología de la naturaleza . 23 (4): 482–487. doi : 10.1038 / nbt1082 . PMID 15793573 .
- ^ Hutchison Ca, tercero; Phillips, S; Edgell, MH; Gillam, S; Jahnke, P; Smith, M (septiembre de 1978). "Mutagénesis en una posición específica en una secuencia de ADN" (PDF) . J. Biol. Chem . 253 (18): 6551–60. PMID 681366 .
- ^ Peng Wua, Wenqing Shuia, Brian L. Carlsona, Nancy Hua, David Rabukaa, Julia Leea y Carolyn R. Bertozzi (2008). "Modificación química específica del sitio de proteínas recombinantes producidas en células de mamíferos mediante el uso de la etiqueta de aldehído codificada genéticamente". PNAS.
- ↑ Braconi, C .; Huang, N .; Patel, T. (2010). "Regulación dependiente de microARN de la ADN metiltransferasa-1 en colangiocitos malignos humanos. Hepatología". Hepatología. ppg 881-890.
- ^ Youngman, PJ; Perkins, JB; Losick, R. (1983). "Transposición genética y mutagénesis insercional en Bacillus subtilis con transposón Tn917 de Streptococcus faecalis" . Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 80 (8): 2305–9. Código bibliográfico : 1983PNAS ... 80.2305Y . doi : 10.1073 / pnas.80.8.2305 . PMC 393808 . PMID 6300908 .
- ^ Nakao, Katsumi; Kiefner, Andreas; Furumoto, Keiji; Harada, Tsuyoshi (1997). "Producción de ácido glucónico con glucosa oxidasa inmovilizada en reactores de transporte aéreo". Ciencias de la Ingeniería Química . 52 (21-22): 4127-4133. doi : 10.1016 / s0009-2509 (97) 88932-4 .
- ^ Hinberg; Kapoulas, A .; Korus, R .; O'Driscoll, K. (1974). "Atrapamiento de enzimas en gel: estudios cinéticos de glucosa oxidasa inmovilizada". Biotecnología y Bioingeniería . 16 (2): 159-168. doi : 10.1002 / bit.260160202 . PMID 4817138 .
- ^ Zhang Ya-Tao, Zhi, Tian-Tian, Zhang, Lin, Huang, He, Chen, Huan-Lin. (2009). "Inmovilización de anhidrasa carbónica por incrustación y acoplamiento covalente en hidrogel nanocompuesto que contiene hidrotalcita". Polymer Vol 50, Edición 24; ppg 5693-5700.
- ^ Zhou, Quinn Z. K; Chen, Xiao Dong (2001). "Efectos de la temperatura y el pH sobre la actividad catalítica de la β-galactosidasa inmovilizada de Kluyveromyces lactis". Revista de Ingeniería Bioquímica . 9 (1): 33–40. doi : 10.1016 / s1369-703x (01) 00118-8 .
- ^ Chao; Chaung; Wu (2010). "Cuantificación de interleucina-6 en medio de cultivo celular usando biosensores de resonancia de plasma superficial". Cytokine . 51 (1): 107-111. doi : 10.1016 / j.cyto.2010.04.004 . PMID 20430640 .
- ^ Bartlett, John MS, ed. (2003). Protocolos de PCR (2ª ed.). Totowa, Nueva Jersey: Humana Press. págs. 3–6. ISBN 978-0896036277.
- ^ a b Ocorr, Marcy Osgood, Karen (2008). La guía absoluta y definitiva de los principios de bioquímica de Lehninger: guía de estudio y manual de soluciones (5ª ed.). Nueva York: WH Freeman. ISBN 978-1429212410.
- ^ Sullivan, N .; Sasser, A .; Axel, A .; Vesuna, F .; Raman, V .; Ramírez, N .; Oberyszyn, T .; Hall, B. (2009). "La interleucina-6 induce un fenotipo de transición epitelial-mesenquimal en células de cáncer de mama humano" . Oncogén . 28 (33): 2940-2947. doi : 10.1038 / onc.2009.180 . PMC 5576031 . PMID 19581928 .
- ^ Lequin, RM (diciembre de 2005). "Inmunoensayo enzimático (EIA) / ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas (ELISA)" . Química clínica . 51 (12): 2415–8. doi : 10.1373 / clinchem.2005.051532 . PMID 16179424 .
- ^ Hermanson, Greg T. (1995). Técnicas de bioconjugado ([2. Dr.]. Ed.). San Diego: Académico. ISBN 978-0123423368.
- ^ Kitantani, K .; Sheldon, K .; Anelli, V .; Jenkins, R .; Sun, Y .; Grabowski, G .; Obeid, L .; Hannun, Y. (2009). "La β-glucosidasa 1 ácida contrarresta la inducción de interleucina-6 dependiente de p38δ" . Revista de Química Biológica . 284 (19): 12979–12988. doi : 10.1074 / jbc.m809500200 . PMC 2676030 . PMID 19279008 .
- ^ a b c Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos. Indicadores clave de biotecnología: empresas de biotecnología. http://www.oecd.org/document/30/0,3746,en_2649_34451_40146462_1_1_1_1,00.html (consultado el 10 de abril de 2012).
- ^ Organización para la cooperación y el desarrollo económicos. Indicadores clave de biotecnología: aplicaciones de la biotecnología. http://www.oecd.org/document/30/0,3746,en_2649_34451_40146462_1_1_1_1,00.html (consultado el 10 de abril de 2012).
- ^ Mendelsohn, Jens-Peter. "Planta de biotecnología para la producción de insulina" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 12 de junio de 2013 . Consultado el 12 de abril de 2012 .
- ^ Harrison, Roger G. (2003). Ciencia e Ingeniería de Bioseparaciones . Todd, Paul, Rudge, Scott R., Petrides, Demetri, P. Nueva York, NY: Oxford University Press. págs. 284-285. ISBN 978-0-19-512340-1.
- ^ Auyang, Sunny, Y. "Por qué surgió la ingeniería química en Estados Unidos en lugar de Alemania" . Eidgenossische Technische Hochschule . Consultado el 11 de abril de 2012 .
- ^ "Criterios para la acreditación de programas de ingeniería" . ABET . Archivado desde el original el 18 de abril de 2012 . Consultado el 11 de abril de 2012 .
- ^ "Licenciatura en Ciencias de la Ingeniería BioMolecular" . Escuela de Ingeniería de Milwaukee. Archivado desde el original el 20 de abril de 2012 . Consultado el 11 de abril de 2012 .
Otras lecturas
- Ingeniería biomolecular en interfaces (artículo)
- Progresos recientes en ingeniería biomolecular
- Sensores biomoleculares ISBN 074840791X (papel alcalino )
enlaces externos
- Conferencia Internacional AIChE sobre Ingeniería Biomolecular