Biomolekylär ingenjörskonst

Biomolekylär ingenjörskonst är tillämpningen av tekniska principer och metoder för målmedveten manipulation av molekyler av biologiskt ursprung. Biomolekylära ingenjörer integrerar kunskap om biologiska processer med kärnkunskapen inom kemiteknik för att fokusera på molekylära lösningar på frågor och problem inom biovetenskap relaterade till miljö , jordbruk , energi , industri , livsmedelsproduktion , bioteknik och medicin.

Biomolekylära ingenjörer manipulerar målmedvetet kolhydrater , proteiner , nukleinsyror och lipider inom ramen för relationen mellan deras struktur (se: nukleinsyrastruktur , kolhydratkemi , proteinstruktur ,), funktion (se: proteinfunktion ) och egenskaper och i relation till tillämpbarhet till områden som miljösanering , växtodling och boskapsproduktion, biobränsleceller och biomolekylär diagnostik. Termodynamiken och kinetiken för molekylär igenkänning i enzymer , antikroppar , DNA-hybridisering , biokonjugation/bio-immobilisering och bioseparationer studeras. Uppmärksamhet ges också till grunderna för konstruerade biomolekyler i cellsignalering , celltillväxtkinetik, biokemisk vägteknik och bioreaktorteknik.

Tidslinje

Historia

Under andra världskriget förde behovet av stora mängder penicillin av acceptabel kvalitet samman kemiingenjörer och mikrobiologer för att fokusera på penicillinproduktion. Detta skapade de rätta förutsättningarna för att starta en kedja av reaktioner som leder till skapandet av området biomolekylär ingenjörskonst. Biomolekylär teknik definierades först 1992 av US National Institutes of Health som forskning i gränssnittet mellan kemiteknik och biologi med tonvikt på molekylär nivå". Även om biomolekylär teknik först definierades som forskning har sedan dess blivit en akademisk disciplin och ett område Herceptin , en humaniserad Mab för bröstcancerbehandling, blev det första läkemedlet designat av en biomolekylär ingenjörskonst och godkändes av US FDA . Dessutom var Biomolecular Engineering ett tidigare namn på tidskriften New Biotechnology .

Framtida

Framtidens bioinspirerade teknologier kan hjälpa till att förklara biomolekylär ingenjörskonst. Om man tittar på Moores lag "Prediction", är kvant- och biologibaserade processorer i framtiden " stora" teknologier. Med användning av biomolekylär ingenjörskonst kan sättet som våra processorer fungerar manipuleras för att fungera i samma mening som ett biologiskt cellarbete. Biomolekylär ingenjörskonst har potential att bli en av de viktigaste vetenskapliga disciplinerna på grund av dess framsteg i analyser av genuttrycksmönster samt den målmedvetna manipulationen av många viktiga biomolekyler för att förbättra funktionaliteten. Forskning inom detta område kan leda till nya läkemedelsupptäckter, förbättrade terapier och framsteg inom ny bioprocessteknologi. Med den ökande kunskapen om biomolekyler kommer takten att hitta nya högvärdiga molekyler inklusive men inte begränsat till antikroppar , enzymer , vacciner och terapeutiska peptider att fortsätta att accelerera. Biomolekylär ingenjörskonst kommer att producera nya konstruktioner för terapeutiska läkemedel och högvärdiga biomolekyler för behandling eller förebyggande av cancer, genetiska sjukdomar och andra typer av metabola sjukdomar . Det finns också förväntningar på industriella enzymer som är konstruerade för att ha önskvärda egenskaper för processförbättring samt tillverkning av högvärdiga biomolekylära produkter till en mycket lägre produktionskostnad. Med hjälp av rekombinant teknologi kommer även nya antibiotika som är aktiva mot resistenta stammar att produceras.

Grundläggande biomolekyler

Biomolekylär ingenjörskonst handlar om manipulation av många nyckelbiomolekyler. Dessa inkluderar, men är inte begränsade till, proteiner, kolhydrater, nukleinsyror och lipider. Dessa molekyler är livets grundläggande byggstenar och genom att kontrollera, skapa och manipulera deras form och funktion finns det många nya vägar och fördelar tillgängliga för samhället. Eftersom varje biomolekyl är olika, finns det ett antal tekniker som används för att manipulera var och en.

Proteiner

Huvudartikel: Proteinteknik

Proteiner är polymerer som är uppbyggda av aminosyrakedjor kopplade till peptidbindningar . De har fyra distinkta nivåer av struktur: primär, sekundär, tertiär och kvartär. Primär struktur hänvisar till aminosyrans ryggradssekvens. Sekundär struktur fokuserar på mindre konformationer som utvecklas som ett resultat av vätebindningen mellan aminosyrakedjan. Om det mesta av proteinet innehåller intermolekylära vätebindningar sägs det vara fibrillärt, och majoriteten av dess sekundära struktur kommer att vara beta-ark . Men om majoriteten av orienteringen innehåller intramolekylära vätebindningar, kallas proteinet klotformigt och består mestadels av alfaspiraler . Det finns också konformationer som består av en blandning av alfaspiraler och betaark samt en betahelix med ett alfablad .

Den tertiära strukturen hos proteiner handlar om deras veckningsprocess och hur den övergripande molekylen är ordnad. Slutligen är en kvartär struktur en grupp av tertiära proteiner som kommer samman och binder. Med alla dessa nivåer har proteiner en mängd olika platser där de kan manipuleras och justeras. Tekniker används för att påverka proteinets aminosyrasekvens (ställesriktad mutagenes), veckningen och konformationen av proteinet eller veckningen av ett enda tertiärt protein i en kvartär proteinmatris. Proteiner som är huvudfokus för manipulation är vanligtvis enzymer . Dessa är proteiner som fungerar som katalysatorer för biokemiska reaktioner . Genom att manipulera dessa katalysatorer kan reaktionshastigheterna, produkterna och effekterna kontrolleras. Enzymer och proteiner är viktiga för det biologiska området och forskning att det finns specifika divisioner av ingenjörskonst som enbart fokuserar på proteiner och enzymer.

Kolhydrater

Kolhydrater är en annan viktig biomolekyl. Dessa är polymerer, kallade polysackarider , som är uppbyggda av kedjor av enkla sockerarter anslutna via glykosidbindningar . Dessa monosackarider består av en ring med fem till sex kol som innehåller kol, väte och syre - vanligtvis i förhållandet 1:2:1, respektive. Vanliga monosackarider är glukos , fruktos och ribos. När monosackarider kopplas samman kan de bilda disackarider , oligosackarider och polysackarider: nomenklaturen är beroende av antalet monosackarider som är sammanlänkade. Vanliga dissackarider, två sammanfogade monosackarider, är sackaros , maltos och laktos . Viktiga polysackarider, länkar till många monosackarider, är cellulosa , stärkelse och kitin .

Cellulosa är en polysackarid som består av beta 1-4-kopplingar mellan upprepade glukosmonomerer. Det är den vanligaste sockerkällan i naturen och är en stor del av pappersindustrin. Stärkelse är också en polysackarid som består av glukosmonomerer; dock är de anslutna via en alfa 1-4 länk istället för beta. Stärkelser, särskilt amylas , är viktiga i många industrier, inklusive papper, kosmetika och livsmedel. Kitin är en härledning av cellulosa, som har en acetamidgrupp istället för en –OH på ett av dess kol. Acetimidgruppen deacetyleras polymerkedjan kallas då kitosan . Båda dessa cellulosaderivat är en viktig forskningskälla för den biomedicinska och livsmedelsindustrin . De har visat sig hjälpa till med blodkoagulering , har antimikrobiella egenskaper och kosttillämpningar. Mycket ingenjörskonst och forskning fokuserar på graden av deacetylering som ger det mest effektiva resultatet för specifika tillämpningar.

Nukleinsyror

Nukleinsyror är makromolekyler som består av DNA och RNA som är biopolymerer som består av kedjor av biomolekyler. Dessa två molekyler är den genetiska koden och mallen som gör livet möjligt. Manipulering av dessa molekyler och strukturer orsakar stora förändringar i funktion och uttryck av andra makromolekyler. Nukleosider är glykosylaminer som innehåller en nukleobas bunden till antingen ribos- eller deoxiribossocker via en beta-glykosidbindning. Sekvensen av baserna bestämmer den genetiska koden. Nukleotider är nukleosider som fosforyleras av specifika kinaser via en fosfodiesterbindning . Nukleotider är de återkommande strukturella enheterna av nukleinsyror. Nukleotiderna är gjorda av en kvävebas, en pentos (ribos för RNA eller deoxiribos för DNA) och tre fosfatgrupper. Se platsriktad mutagenes , rekombinant DNA och ELISA .

Lipider

Lipider är biomolekyler som är uppbyggda av glycerolderivat bundna med fettsyrakedjor . Glycerol är en enkel polyol som har formeln C 3 H 5 (OH) 3 . Fettsyror är långa kolkedjor som har en karboxylsyragrupp i slutet. Kolkedjorna kan antingen vara mättade med väte ; varje kolbindning är upptagen av en väteatom eller en enkelbindning till ett annat kol i kolkedjan, eller så kan de vara omättade; det finns nämligen dubbelbindningar mellan kolatomerna i kedjan. Vanliga fettsyror inkluderar laurinsyra , stearinsyra och oljesyra . Studien och konstruktionen av lipider fokuserar vanligtvis på manipulering av lipidmembran och inkapsling. Cellulära membran och andra biologiska membran består typiskt av ett fosfolipid-dubbelskiktsmembran eller ett derivat därav. Tillsammans med studiet av cellmembran är lipider också viktiga molekyler för energilagring. Genom att använda inkapslingsegenskaper och termodynamiska egenskaper blir lipider betydande tillgångar i struktur och energikontroll när molekyler konstrueras.

Av molekyler

Rekombinant DNA

Huvudartikel: Rekombinant DNA

Rekombinant DNA är DNA-biomolekyler som innehåller genetiska sekvenser som inte är inhemska i organismens genom. Med användning av rekombinanta tekniker är det möjligt att infoga, ta bort eller ändra en DNA-sekvens exakt utan att vara beroende av platsen för restriktionsställena. Rekombinant DNA används för ett brett spektrum av tillämpningar.

Metod

Skapar rekombinant DNA. Efter att plasmiden har klyvts av restriktionsenzymer, infogar ligaser de främmande DNA-fragmenten i plasmiden.

Den traditionella metoden för att skapa rekombinant DNA involverar vanligtvis användningen av plasmider i värdbakterierna. Plasmiden innehåller en genetisk sekvens som motsvarar igenkänningsstället för ett restriktionsendonukleas, såsom EcoRl . Efter att främmande DNA-fragment, som också har klippts med samma restriktionsendonukleas, har infogats i värdcellen, uttrycks restriktionsendonukleasgenen genom att applicera värme eller genom att introducera en biomolekyl, såsom arabinos. Vid uttryck kommer enzymet att klyva plasmiden vid dess motsvarande igenkänningsställe och skapa klibbiga ändar på plasmiden. Ligaser förenar sedan de klibbiga ändarna med de motsvarande klibbiga ändarna av de främmande DNA-fragmenten och skapar en rekombinant DNA-plasmid.

Framsteg inom genteknik har gjort modifieringen av gener i mikrober ganska effektiv så att konstruktioner kan göras på ungefär en veckas tid. Det har också gjort det möjligt att modifiera själva organismens arvsmassa. Specifikt används användningen av generna från bakteriofagen lambda i rekombination. Denna mekanism, känd som recombineering , använder de tre proteinerna Exo, Beta och Gam, som skapas av generna exo, bet respektive gam. Exo är ett dubbelsträngat DNA- exonukleas med 5'- till 3'-aktivitet. Det skär det dubbelsträngade DNA:t och lämnar 3' överhäng. Beta är ett protein som binder till enkelsträngat DNA och hjälper homolog rekombination genom att främja hybridisering mellan homologiregionerna av det insatta DNA:t och det kromosomala DNA:t. Gam fungerar för att skydda DNA-inlägget från att förstöras av inhemska nukleaser i cellen.

Ansökningar

Rekombinant DNA kan konstrueras för en mängd olika ändamål. Teknikerna som används möjliggör specifik modifiering av gener som gör det möjligt att modifiera vilken biomolekyl som helst. Det kan konstrueras för laboratorieändamål, där det kan användas för att analysera gener i en given organism. Inom läkemedelsindustrin kan proteiner modifieras med hjälp av rekombinationstekniker. Några av dessa proteiner inkluderar humant insulin . Rekombinant insulin syntetiseras genom att den humana insulingenen sätts in i E. coli , som sedan producerar insulin för mänskligt bruk. Andra proteiner, såsom humant tillväxthormon , faktor VIII och hepatit B-vaccin framställs med liknande metoder. Rekombinant DNA kan också användas för diagnostiska metoder som involverar användningen av ELISA -metoden. Detta gör det möjligt att konstruera antigener, såväl som de enzymer som fästs, för att känna igen olika substrat eller modifieras för bioimmobilisering. Rekombinant DNA är också ansvarigt för många produkter som finns inom jordbruksindustrin. Genetiskt modifierad mat , såsom gyllene ris , har konstruerats för att öka produktionen av vitamin A för användning i samhällen och kulturer där vitamin A i kosten är bristfällig. Andra egenskaper som har konstruerats till grödor inkluderar herbicidresistens och insektsresistens.

Platsstyrd mutagenes

Platsstyrd mutagenes är en teknik som har funnits sedan 1970-talet. De första dagarna av forskning inom detta område gav upptäckter om potentialen hos vissa kemikalier som bisulfit och aminopurin att förändra vissa baser i en gen. Denna forskning fortsatte, och andra processer utvecklades för att skapa vissa nukleotidsekvenser på en gen, såsom användningen av restriktionsenzymer för att fragmentera vissa virala strängar och använda dem som primers för bakteriella plasmider. Den moderna metoden, utvecklad av Michael Smith 1978, använder en oligonukleotid som är komplementär till en bakterieplasmid med ett enda baspars felparning eller en serie felmatchningar.

Allmänt förfarande

Platsstyrd mutagenes är en värdefull teknik som möjliggör ersättning av en enda bas i en oligonukleotid eller gen. Grunderna i denna teknik involverar framställning av en primer som kommer att vara en komplementär sträng till en bakteriell plasmid av vildtyp. Denna primer kommer att ha en basparsfelmatchning på platsen där ersättningen önskas. Primern måste också vara tillräckligt lång så att primern kommer att hybridisera till vildtypsplasmiden. Efter primer-annealer kommer ett DNA-polymeras att fullborda primern. När bakterieplasmiden replikeras kommer den muterade strängen också att replikeras. Samma teknik kan användas för att skapa en geninsättning eller deletion. Ofta sätts en antibiotikaresistent gen in tillsammans med modifieringen av intresse och bakterierna odlas på ett antibiotiskt medium. De bakterier som inte framgångsrikt muterades kommer inte att överleva på detta medium, och de muterade bakterierna kan lätt odlas.

Denna animation visar de grundläggande stegen för platsstyrd mutagenes, där XY är den önskade basparsersättningen av TA.

Ansökningar

Platsstyrd mutagenes kan vara till hjälp av många olika skäl. En enda basparsersättning kommer att ändra kodonet , vilket potentiellt kan ersätta en aminosyra i ett protein. Mutagenes kan hjälpa till att bestämma funktionen hos proteiner och rollerna för specifika aminosyror. Om en aminosyra nära det aktiva stället är muterad kan de kinetiska parametrarna förändras drastiskt, eller så kan enzymet bete sig annorlunda. En annan tillämpning av platsriktad mutagenes är att byta ut en aminosyrarest långt från det aktiva stället med en lysinrest eller cysteinrest . Dessa aminosyror gör det lättare att kovalent binda enzymet till en fast yta, vilket möjliggör enzymåteranvändning och användning av enzymer i kontinuerliga processer. tillsätts aminosyror med icke-naturliga funktionella grupper (såsom en aldehyd som introduceras genom en aldehydtagg) till proteiner. Dessa tillägg kan vara för att underlätta biokonjugering eller för att studera effekterna av aminosyraförändringar på proteinernas form och funktion. Ett exempel på hur mutagenes används finns i kopplingen av platsriktad mutagenes och PCR för att minska interleukin-6- aktivitet i cancerceller. I ett annat exempel Bacillus subtilis vid platsriktad mutagenes för att utsöndra enzymet subtilisin genom cellväggen. Biomolekylära ingenjörer kan avsiktligt manipulera denna gen för att i huvudsak göra cellen till en fabrik för att producera vilket protein som helst som infogningen i genen kodar för.

Bio-immobilisering och bio-konjugering

Bioimmobilisering och biokonjugering är den målmedvetna manipuleringen av en biomolekyls rörlighet med kemiska eller fysikaliska medel för att erhålla en önskad egenskap. Immobilisering av biomolekyler gör det möjligt att utnyttja molekylens egenskaper under kontrollerade miljöer. Till exempel kan immobiliseringen av glukosoxidas på kalciumalginatgelkulor användas i en bioreaktor. Den resulterande produkten behöver inte rening för att avlägsna enzymet eftersom det förblir kopplat till pärlorna i kolonnen. Exempel på typer av biomolekyler som är immobiliserade är enzymer, organeller och kompletta celler. Biomolekyler kan immobiliseras med en rad olika tekniker. De mest populära är fysisk infångning, adsorption och kovalent modifiering.

  • Fysisk inneslutning - användningen av en polymer för att innehålla biomolekylen i en matris utan kemisk modifiering. Infångning kan vara mellan gitter av polymer, känd som gelinfångning, eller i mikrohåligheter av syntetiska fibrer, känd som fiberinfångning. Exempel inkluderar infångning av enzymer såsom glukosoxidas i gelkolonn för användning som bioreaktor . Viktig egenskap med inneslutning är att biokatalysator förblir strukturellt oförändrad, men skapar stora diffusionsbarriärer för substrat.
  • Adsorption - immobilisering av biomolekyler på grund av interaktion mellan biomolekylen och grupper på stöd. Kan vara fysisk adsorption, jonbindning eller metallbindande kelering. Sådana tekniker kan utföras under milda förhållanden och relativt enkla, även om kopplingarna är starkt beroende av pH, lösningsmedel och temperatur. Exempel inkluderar enzymkopplade immunosorbentanalyser.
  • Kovalent modifiering - involverar kemiska reaktioner mellan vissa funktionella grupper och matris. Denna metod bildar ett stabilt komplex mellan biomolekyl och matris och lämpar sig för massproduktion. På grund av bildandet av kemisk bindning till funktionella grupper kan förlust av aktivitet uppstå. Exempel på använda kemier är DCC-koppling PDC-koppling och EDC/NHS-koppling, som alla drar fördel av de reaktiva aminerna på biomolekylens yta.

Eftersom immobilisering begränsar biomolekylen måste man se till att funktionaliteten inte går förlorad helt. Variabler att beakta är pH, temperatur, lösningsmedelsval, jonstyrka, orientering av aktiva ställen på grund av konjugering. För enzymer kommer konjugationen att sänka den kinetiska hastigheten på grund av en förändring i den 3-dimensionella strukturen, så försiktighet måste iakttas för att säkerställa att funktionalitet inte går förlorad. Bio-immobilisering används i teknologier som diagnostiska bioanalyser , biosensorer , ELISA och bioseparationer. Interleukin (IL-6) kan också bioimmobiliseras på biosensorer. Förmågan att observera dessa förändringar i IL-6-nivåer är viktig för att diagnostisera en sjukdom. En cancerpatient kommer att ha förhöjda IL-6-nivåer och övervakning av dessa nivåer gör det möjligt för läkaren att se hur sjukdomen fortskrider. En direkt immobilisering av IL-6 på ytan av en biosensor erbjuder ett snabbt alternativ till ELISA .

Polymeraskedjereaktion

Huvudartikel: Polymeraskedjereaktion
Polymeraskedjereaktion. Det finns tre huvudsteg involverade i PCR. I det första steget "smälts" eller denatureras de dubbelsträngade DNA-strängarna och bildar enkelsträngat DNA. Därefter hybridiserar primrar, som har designats för att rikta en specifik gensekvens på DNA:t, till det enkelsträngade DNA:t. Slutligen syntetiserar DNA-polymeras en ny DNA-sträng som är komplementär till det ursprungliga DNA:t. Dessa tre steg upprepas flera gånger tills önskat antal kopior är gjorda.

Polymeraskedjereaktionen (PCR) är en vetenskaplig teknik som används för att replikera en bit av en DNA- molekyl i flera storleksordningar . PCR implementerar en cykel av upprepad uppvärmning och kylning som kallas termisk cykling tillsammans med tillägg av DNA-primrar och DNA-polymeraser för att selektivt replikera DNA- fragmentet av intresse. Tekniken utvecklades av Kary Mullis 1983 när han arbetade för Cetus Corporation . Mullis skulle fortsätta att vinna Nobelpriset i kemi 1993 som ett resultat av den inverkan som PCR hade på många områden som DNA-kloning , DNA-sekvensering och genanalys.

Biomolekylära ingenjörstekniker involverade i PCR

Ett antal biomolekylära ingenjörsstrategier har spelat en mycket viktig roll i utvecklingen och utövandet av PCR . Ett avgörande steg för att säkerställa korrekt replikering av det önskade DNA-fragmentet är till exempel skapandet av den korrekta DNA-primern . Den vanligaste metoden för primersyntes är genom fosforamiditmetoden . Denna metod inkluderar biomolekylär konstruktion av ett antal molekyler för att uppnå den önskade primersekvensen. Den mest framträdande biomolekylära ingenjörstekniken som ses i denna primerdesignmetod är den initiala bioimmobiliseringen av en nukleotid till ett fast underlag. Detta steg görs vanligen via bildandet av en kovalent bindning mellan 3'-hydroxigruppen i den första nukleotiden i primern och det fasta bärarmaterialet.

DNA-primern skapas kräver dessutom vissa funktionella grupper av nukleotider som ska läggas till den växande primern blockering för att förhindra oönskade sidoreaktioner. Denna blockering av funktionella grupper såväl som den efterföljande avblockeringen av grupperna, koppling av efterföljande nukleotider och eventuell klyvning från det fasta underlaget är alla metoder för manipulering av biomolekyler som kan tillskrivas biomolekylär ingenjörskonst. Ökningen av interleukinnivåer är direkt proportionell mot den ökade dödligheten hos bröstcancerpatienter. PCR parat med Western blotting och ELISA hjälper till att definiera förhållandet mellan cancerceller och IL-6.

Enzymkopplad immunosorbentanalys (ELISA)

Huvudartikel: ELISA

Enzym-linked immunosorbent assay är en analys som använder principen om antikropp - antigenigenkänning för att testa förekomsten av vissa substanser. De tre huvudtyperna av ELISA- tester som är indirekt ELISA , sandwich -ELISA och kompetitiv ELISA bygger alla på det faktum att antikroppar har en affinitet för endast ett specifikt antigen . Vidare kan dessa antigener eller antikroppar bindas till enzymer som kan reagera för att skapa ett kolorimetriskt resultat som indikerar närvaron av antikroppen eller antigenet av intresse. Enzymkopplade immunosorbentanalyser används oftast som diagnostiska tester för att upptäcka HIV-antikroppar i blodprover för att testa för HIV, humana koriongonadotropinmolekyler i urin för att indikera graviditet och Mycobacterium tuberculosis -antikroppar i blod för att testa patienter för tuberkulos. Dessutom används ELISA i stor utsträckning som en toxikologisk screening för att testa människors serum för förekomst av illegala droger.

Tekniker involverade i ELISA

Även om det finns tre olika typer av fasta tillståndsenzymkopplade immunosorbentanalyser börjar alla tre typerna med bioimmobilisering av antingen en antikropp eller antigen till en yta. Denna bioimmobilisering är den första instansen av biomolekylär ingenjörskonst som kan ses i ELISA -implementering. Detta steg kan utföras på ett antal sätt inklusive en kovalent koppling till en yta som kan vara belagd med protein eller annan substans. Bioimmobiliseringen kan också utföras via hydrofoba interaktioner mellan molekylen och ytan. Eftersom det finns många olika typer av ELISA som används för många olika ändamål varierar den biomolekylära ingenjörskonsten som detta steg kräver beroende på det specifika syftet med ELISA .

En annan biomolekylär ingenjörsteknik som används vid ELISA -utveckling är biokonjugering av ett enzym till antingen en antikropp eller antigen beroende på typen av ELISA . Det finns mycket att ta hänsyn till i denna enzymbiokonjugering , som att undvika störning av enzymets aktiva ställe samt antikroppsbindningsstället i det fall antikroppen är konjugerad med enzym . Denna biokonjugation utförs vanligtvis genom att skapa tvärbindningar mellan de två molekylerna av intresse och kan kräva en mängd olika reagens beroende på de specifika molekylernas natur.

Interleukin (IL-6) är ett signalprotein som har varit känt för att vara närvarande under ett immunsvar. Användningen av sandwichtyp ELISA kvantifierar närvaron av detta cytokin i ryggmärgs- eller benmärgsprover.

Applikationer och fält

I industrin

Diagram som visar antalet bioteknikföretag per land
Diagram som visar procentandelar av bioteknikföretag efter tillämpning

Biomolekylär teknik är en omfattande disciplin med tillämpningar inom många olika branscher och områden. Som sådan är det svårt att peka ut ett generellt perspektiv på biomolekylär ingenjörsyrket. Bioteknikindustrin ger dock en adekvat representation. Bioteknikindustrin, eller bioteknikindustrin, omfattar alla företag som använder bioteknik för att producera varor eller tjänster eller för att utföra bioteknisk forskning och utveckling. På detta sätt omfattar det många av de industriella tillämpningarna inom biomolekylär ingenjörsvetenskap. Genom att granska bioteknikindustrin kan man konstatera att branschens främsta ledare är USA, följt av Frankrike och Spanien. Det är också sant att fokus för bioteknikindustrin och tillämpningen av biomolekylär ingenjörskonst är i första hand klinisk och medicinsk. Människor är villiga att betala för god hälsa, så det mesta av pengarna som riktas till bioteknikindustrin stannar i hälsorelaterade satsningar. [ citat behövs ]

Skala upp

Att skala upp en process innebär att använda data från en operation i experimentell skala (modell eller pilotanläggning) för design av en stor (uppskalad) enhet av kommersiell storlek. Uppskalning är en avgörande del av att kommersialisera en process. Till exempel insulin som producerats av genetiskt modifierade Escherichia coli- bakterier i laboratorieskala, men för att göras kommersiellt gångbart måste det skalas upp till en industriell nivå. För att uppnå denna uppskalning behövde mycket labbdata användas för att designa enheter i kommersiell storlek. Till exempel involverar ett av stegen i insulinproduktionen kristallisering av glargininsulin med hög renhet. För att uppnå denna process i stor skala vill vi hålla kraft/volym-förhållandet för både labb- och storskaliga kristallisatorer detsamma för att uppnå homogen blandning. kristallisatorn i labbskala har geometrisk likhet med den storskaliga kristallisatorn. Därför,



P/V α N i 3 d i 3 där di = kristallisatorns impellerdiameter N i = impellerns rotationshastighet

Relaterade branscher

Bioteknik

Huvudartikel: Biologisk ingenjörskonst

En bred term som omfattar all teknik som tillämpas inom biovetenskap. Detta studieområde använder biologins principer tillsammans med tekniska principer för att skapa säljbara produkter. Vissa bioteknikapplikationer inkluderar:

Biokemi

Huvudartikel: Biokemi

Biokemi är studiet av kemiska processer i levande organismer, inklusive, men inte begränsat till, levande materia. Biokemiska processer styr alla levande organismer och levande processer och biokemin försöker förstå och manipulera dessa processer.

Biokemisk ingenjörskonst

Huvudartikel: Biokemisk ingenjörskonst

Bioteknik

Huvudartikel: Bioteknik
  • Biomaterial – Design, syntes och produktion av nya material för att stödja celler och vävnader.
  • Genteknik – Målmedveten manipulation av organismers genom för att producera nya fenotypiska egenskaper.
  • Bioelektronik , Biosensor och Biochip – Konstruerade enheter och system för att mäta, övervaka och kontrollera biologiska processer.
  • Bioprocessteknik – Design och underhåll av cellbaserade och enzymbaserade processer för tillverkning av finkemikalier och läkemedel.

Bioelektrisk teknik

Huvudartikel: Bioelektrisk

Bioelektrisk teknik involverar de elektriska fälten som genereras av levande celler eller organismer. Exempel inkluderar den elektriska potential som utvecklas mellan muskler eller nerver i kroppen. Denna disciplin kräver kunskap inom områdena elektricitet och biologi för att förstå och använda dessa begrepp för att förbättra eller förbättra nuvarande bioprocesser eller teknologi.

Biomedicinsk forskning

Huvudartikel: Biomedicinsk teknik

Biomedicinsk teknik är en underkategori av bioteknik som använder många av samma principer men fokuserar mer på de medicinska tillämpningarna av de olika tekniska utvecklingarna. Några tillämpningar av biomedicinsk teknik inkluderar:

Kemiteknik

Huvudartikel: Kemiteknik

Kemiteknik är bearbetning av råvaror till kemiska produkter. Det involverar beredning av råmaterial för att producera reaktanter, den kemiska reaktionen av dessa reaktanter under kontrollerade förhållanden, separering av produkter, återvinning av biprodukter och bortskaffande av avfall. Varje steg involverar vissa grundläggande byggstenar som kallas "enhetsoperationer", såsom extraktion, filtrering och destillation. Dessa enhetsoperationer finns i alla kemiska processer. Biomolekylär ingenjörskonst är en delmängd av kemiteknik som tillämpar samma principer för bearbetning av kemiska ämnen gjorda av levande organismer.

Utbildning och program

Nyutvecklade och erbjudna grundutbildningsprogram över hela USA, ofta kopplade till kemiteknikprogrammet, tillåter studenter att uppnå en BS-examen . Enligt ABET (Accreditation Board for Engineering and Technology), måste biomolekylär ingenjörsvetenskap "ge grundlig förankring i de grundläggande vetenskaperna inklusive kemi, fysik och biologi, med visst innehåll på avancerad nivå ... [och] ingenjörsmässig tillämpning av dessa grundläggande vetenskaper för att design, analys och kontroll av kemiska, fysikaliska och/eller biologiska processer." Gemensamma läroplaner består av större ingenjörskurser inklusive transport, termodynamik, separationer och kinetik, med tillägg av livsvetenskapskurser inklusive biologi och biokemi, och inklusive specialiserade biomolekylära kurser med fokus på cellbiologi, nano- och bioteknik, biopolymerer, etc.

Se även

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Biomolecular_engineering&oldid=1106258121 "