Микроорганизмдерді қолдана отырып биотоплик өндірісінің жаңа тәсілдері
Metagenics
Метагеника: биотехнология, организмдерді ферменттер, инсулин сияқты биохимиялық заттарды жасауға гендік түрлендіру арқылы өндіру. Биомайды пайдалану да бар.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Метагенетика сөзінде "мета" префиксі және "ген" жұрнағы қолданылады. Сөзбе-сөз мағынасында, ол "жасаушы нәрсені жарату" дегенді білдіреді. Биотехнология саласында метагенетика – қарапайым бастапқы материалдардан белгілі бір фермент, ақуыз немесе басқа да биохимиялық заттарды жасау үшін организмдерді гендік инженерлік әдіспен өзгерту практикасы. Адам инсулинін бастапқы аминқышқылдарынан өндіруге бағытталған E. coli бактериясының генетикалық инженериясы – мысал. E. coli өсімдік биомассасын ыдырату және одан биоотын синтездеу үшін көмірсутектер өндіру мақсатында да өзгертілген. E. coli-дегі метагенетиканың қолданылу аясы жоғары спирттер, май қышқылдарына негіделген химиялық заттар және терпендерді қамтиды.
The word metagenics uses the prefix meta and the suffix gen. Literally, it means "the creation of something which creates". In the context of biotechnology, metagenics is the practice of engineering organisms to create a specific enzyme, protein, or other biochemicals from simpler starting materials. The genetic engineering of E. coli with the specific task of producing human insulin from starting amino acids is an example. E. coli has also been engineered to digest plant biomass and use it to produce hydrocarbons in order to synthesize biofuels. The applications of metagenics on E. coli also include higher alcohols, fatty acid based chemicals and terpenes.
Биоотын
Мұнай көздерінің сарқылуы және жиырма және жиырма бірінші ғасырлардағы парниктік газдар эмиссиясының артуы микроорганизмдерден биоотын дамытудың басты себебі болды. E. coli қазіргі уақытта геномы туралы қолда бар мол мәліметтерге байланысты биоотын өндіру үшін ең қолайлы нұсқа саналады. Бұл процесс биомассаны отынға айналдырады және өнеркәсіптік деңгейде сәттілігін дәлелдеді, мысалы, 2007 жылы АҚШ 6,4 миллиард галлон биоэтанол өндірді. Биоэтанол қазіргі уақытта баламалы отын өндірісінде жетекші болып табылады және ферментация арқылы этанол алу үшін S. cerevisiae және Zymomonas mobilis қолданылады. Дегенмен, максималды өнімділік бұл организмдердің пентоза қанттарын пайдалана алмауымен шектеледі, сондықтан E. coli және Clostridia қарастырылуда. E. coli глюкозаны екі моль форматқа, екі моль ацетатқа және бір моль этанолға метаболизмдеу арқылы анаэробтық жағдайда этанол өндіре алады. Биоэтанол өнеркәсіптік деңгейде тиімді балама отын болғанымен, оның кемшіліктері де бар, атап айтқанда, төмен энергия тығыздығы, жоғары бу қысымы және гигроскопиялық қасиеттері. Биоэтанолға қазіргі таңда биобутанол, биодизель, пропанол және синтетикалық көмірсутектер қарастырылуда. Биодизельдің ең көп таралған түрі – май қышқылдарының метил эфирлері, ал ағымдағы синтез стратегиясы өсімдік майларынан триацилглицеролдарды трансэстерлеуді қамтиды. Алайда, өсімдік майының бәсекеге қабілетті бағамен май тұқымдарымен қамтамасыз етілуінің шектеулері бар, бұл бактерияларда май қышқылдарының метил эфирлерін тікелей синтездеуге қызығушылықты күшейтеді. Бұл процесс трансэстерлеуді болдырмай, энергияның жоғары шығымын және өндіріс құнының төмендеуін қамтамасыз етеді. Өндірілетін биоотынның тиімді болуына кедергі келтіретін басты мәселе – биоотын мен мұнайдың араласу қатынамының 10%-тан 20%-ға дейін шектелуі. Қазіргі биоотын жоғары өнімділік және төмен эмиссиялы қозғалтқыштармен үйлесімді емес, инфрақұрылымды қымбат өзгерту және қозғалтқышты қайта жасау қажет. Эксетер университетінің зерттеуі осы кедергіні жоюға бағытталған, қазіргі таңдағы көмірсутектерді құрайтын n-алкандар, изоалкандар және n-алкендерді тұрақты тәсілдермен өндіру арқылы қазіргі таңдағы қазылған отындарды алмастыруды көздеді. Зерттеу P. luminescens май қышқыл редуктазасы (FAR) кешені арқылы аталған көмірсутектерді өндіруге жарамды субстраттарды анықтады. Biotechnology for Biofuels журналында жарияланған зерттеуде S. cerevisiae метаболикалық инженерия арқылы қысқа және тармақталған тізбекті алкил эфирлерін биодизель өндіру үшін қолданылды. S. cerevisiae-дің май қышқылдарының эфирлерін өндіру қабілетін арттыру үшін INO1 генінің Rpd3 және Opi1 теріс реттеушілері жойылды. Алкоголь прекурсорларының өндірісін арттыру үшін изобутанол жолының бес ферменті артық экспрессияланды.
The depletion of petroleum sources and increase in greenhouse gas emissions in the twenty and twenty first centuries has been the driving factor behind the development of biofuels from microorganisms. E. coli is currently regarded as the best option for biofuel production because of the amount of knowledge available about its genome. The process converts biomass into fuels, and has proven successful on an industrial scale, with the United States having produced 6.4 billion gallons of bioethanol in 2007. Bioethenol is currently the front runner for alternative fuel production and uses S. cerevisiae and Zymomonas mobilis to create ethanol through fermentation. However, maximum productivity is limited due to the fact that these organisms cannot use pentose sugars, leading to consideration of E. coli and Clostridia. E. coli is capable of producing ethanol under anaerobic conditions through metabolizing glucose into two moles of formate, two moles of acetate, and one mole of ethanol. While bioethanol has proved to be a successful alternative fuel source on an industrial scale, it also has its shortcomings, namely, its low energy density, high vapor pressure, and hygroscopicity. Current alternatives to bioethanol include biobutanol, biodiesel, propanol, and synthetic hydrocarbons. The most common form of biodiesels is fatty acid methyl esters and current synthesis strategies involve transesterification of triacylglycerols from plant oils. However, plant oils have a major limitation in availability of oil seed supplies at competitive prices, leading to an interest in direct synthesis of fatty acid methyl esters in bacteria. This process bypasses transesterification, leading to higher energy yields and lower production cost. One of the principal obstacles in production of viable biofuels is that the maximum blend ratio of biofuel to petroleum is between 10% and 20%, Current biofuels are not compatible with high performance, low emission engines and costly changes in infrastructure and engine remodeling would be required. A University of Exeter study sought to overcome this obstacle through production of biofuels that can replace current fossil fuels through sustainable means, namely, the production of n alkanes, iso alkanes, and n alkenes, as these are the hydrocarbons that compose current retail transport fuels. The study found suitable substrates for production of the aforementioned hydrocarbons by means of the P. luminescens fatty acid reductase (FAR) complex. A study published in Biotechnology for Biofuels used S. cerevisiae to produce short and branched chain alkyl esters biodiesel through metabolic engineering. Negative regulators for the INO1 gene, Rpd3 and Opi1 were deleted to boost S. cerevisiae's ability to produce fatty acid esters. To increase the production of alcohol precursors, five isobutanol pathway enzymes were overexpressed.
Инсулин өндірісі
Рекомбинантты инсулинге деген сұраныстың өсуі, жаһандық деңгейде диабетпен ауыратын науқастардың санының артуымен, сондай-ақ, жоғары дозаларды қажет ететін ингаляциялық және ауыз арқылы қолдану сияқты балама жеткізу әдістерімен байланысты. Рекомбинантты ДНҚ технологиясын пайдалану арқылы *E. coli* бактериясы адам инсулинін өндіруге қолданылуы мүмкін. Адам ағзасындағы инсулиннің биосинтезі, сиыр немесе шошқадан синтезделген инсулинге қарағанда маңызды артықшылықтар береді, себебі соңғысы диабетпен ауыратын науқастарда иммундық реакцияны тудыруы мүмкін. Бұл үшін, адам инсулиніне арналған синтетикалық гендер *E. coli* бактериясының β-галактозидаза генімен біріктіріліп, транскрипциядан өтеді және нәтижесінде ақуыздарға аударылады. *E. coli* сияқты микроорганизмдерді инсулин сияқты гендік өнімдерді биосинтездеу үшін пайдаланудың шектеуші факторы – уақыт. Алайда, олигонуклеотидтерді синтездеу және сұйық хроматография саласындағы жетістіктер ДНҚ фрагменттерін өндіруге қажетті уақытты едәуір қысқартты. Рекомбинантты адам инсулині алғаш рет 1980 жылы клиникалық сынақтарға бекітілді. Осы кезде инсулиннің А және В тізбектері жеке-жеке өндіріліп, кейін химиялық жолмен біріктірілді. Екі тізбектің біріктірілуі көбінесе ауадағы тотығу арқылы, төмен тиімділікпен жүзеге асырылды. 1978 жылғы Гоеделл және авторлар тобының зерттеуі, А және В тізбектерін S-сульфондалған туындылары мен А тізбегінің артық мөлшерін пайдалану арқылы дұрыс біріктіруге қол жеткізді, нәтижесінде 50-80% дұрыс біріктіруге қол жеткізілді. Соңғы жетістіктер, адам проинсулин генін *E. coli* жасушаларына енгізуге мүмкіндік берді, бұл жасушалар ферментация арқылы проинсулин өндіреді.
Increase in the demand for recombinant insulin can be explained by an increase in the number of diabetic patients globally, as well as alternative delivery methods such as inhalation and oral routes, which require higher doses. Through the use of recombinant DNA technology, E. coli can be used for the production of human insulin. The biosynthesis of insulin within the human body confers a significant advantage over bovine or porcine synthesis, which are often immunogenic in diabetic patients. To accomplish this, synthetic genes for human insulin are fused with the β galactosidase gene of E. coli, where they undergo transcription and ultimately translation into proteins. The limiting factor for the use of microorganisms like E. coli in biosynthesis of gene products like insulin is time, yet due to advancements in the synthesis of oligonucleotides and liquid chromatography, the production time needed for DNA fragments has greatly decreased. Recombinant human insulin was first approved for clinical trials in 1980. At this time the A and B chains of insulin were produced separately and then chemically joined. Joining of the two chains was often carried out through air oxidation with low efficiency. A 1978 study by Goedell et al. successfully accomplished correct joining of the A and B chains through S sulfonated derivatives and an excess of the A chain, resulting in 50 80% correct joining. Recent advances have allowed the chains to be synthesized together by inserting the human proinsulin gene into E. coli cells, which produce proinsulin through fermentation.