Biosíntesis | Un rayo de esperanza para el medio ambiente y la biotecnología

Síntesis de proteínas
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Biosíntesis | Un rayo de esperanza para el medio ambiente y la biotecnología

Contenido

¿Qué es la biosíntesis?

Se trata de un proceso catalizado por enzimas en el que los reactivos simples (sustratos) se convierten en productos complejos dentro de los organismos vivos o con la ayuda de organismos vivos. En este proceso, el los sustratos se transforman, modifican o polimerizan para formar productos de gran tamaño conocidos como Macromoléculas. Esta conversión y modificación incluye una serie de reacciones llamadas vía biosintética. Estos vías biosintéticas puede ocurrir dentro o fuera del cuerpo del organismo con enzimas (biocatalizadores). La producción de los componentes de la membrana celular (fosfolípidos y proteínas de membrana), nucleótidos y proteínas son ejemplos típicos de vías biosintéticas. El proceso de biosíntesis suele ser un proceso anabólico requiriendo monómeros, sustratos, compuestos precursores, enzimas, coenzimas y energía. 

En general, la biosíntesis es el proceso de producción de biomoléculas o compuestos naturales a través de reacciones catalizadas por enzimas utilizando maquinaria metabólica celular. Generalmente, una serie de reacciones catalizadas por enzimas están involucradas en la producción de una sola biomolécula. La biosíntesis también se puede utilizar para sintetizar productos químicos utilizando sustrato in vitro (fuera del organismo vivo) o in vivo (dentro de una célula viva como E. coli) con tecnología recombinante de ayuda de enzimas. 

Biosíntesis
Figura 1: utilización de componentes celulares para biosíntesis.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ribosome_mRNA_translation_en.svg

Diferencia entre biosíntesis y síntesis química

La síntesis química o quimiosíntesis es la formación de productos complejos mediante la utilización de sustancias más simples en ausencia o presencia de agentes químicos conocidos como catalizadores. La biosíntesis forma grandes compuestos orgánicos utilizando sustratos más pequeños en un sistema vivo siguiendo una ruta metabólica. 

¿Por qué es esencial la biosíntesis?

Los métodos de producción utilizados en la quimiosíntesis son generalmente peligrosos para nuestro entorno y otros seres vivos. Por lo tanto, existe la necesidad de un método de síntesis ambientalmente seguro, rentable. Una variedad de sistemas biológicos como hongos, bacterias, diatomeas, plantas e incluso células humanas pueden convertir sustratos más simples en biomoléculas a través de reacciones catalizadas por enzimas y vías metabólicas. Es ventajoso utilizar la biosíntesis en lugar de la síntesis química porque es ambientalmente más seguro y enorme. Actualmente se utilizan varios métodos biosintéticos para la producción a pequeña escala y la producción industrial de moléculas. 

Algunas aplicaciones de la biosíntesis

Fábricas de células para la biosíntesis de insulina

Las empresas sintetizan y comercializan una variedad de productos farmacéuticos, incluidos anticuerpos y varias proteínas que se requieren en grandes cantidades. De los cuales, los anticuerpos monoclonales terapéuticos son el producto más comercializado, seguidos de las hormonas y los factores de crecimiento.

Actualmente, la insulina se produce generalmente en levaduras y E. coli. Anteriormente, se aisló insulina del páncreas de puercoespín y bovino. la expresión de insulina en levaduras y E. coli proporcionó un mayor rendimiento en un corto período de tiempo.

¿Por qué los microorganismos como E. coli son esenciales para la biosíntesis de insulina?

Las razones para preferir E. coli para la biosíntesis de insulina son las siguientes:

  • - Tasa de reproducción más rápida (la población se duplica cada 20 minutos)
  • - Contiene genes de resistencia a los antibióticos que restringen el crecimiento de bacterias no deseadas.
  • - Facil de manejar
  • - Bajo costo de mantenimiento.
  • - Alta rentabilidad

Anteriormente, la gente solía tomar insulina de las células pancreáticas de las vacas y los cerdos. La insulina obtenida del cerdo y la vaca difiere ligeramente de la insulina humana y el costo de recolección es demasiado alto. Se necesitaría una tonelada de tejido pancreático de cerdo para producir unas pocas onzas de insulina. Levadura (Saccharomyces cerevisiae) también se utiliza para la producción comercial de insulina como E. coli. Pero la tasa de producción de insulina producida en la levadura es significativamente menor en comparación con la E. coli

Transferencia genética de insulina de humanos a E. coli

La transcripción de ARNm se extrae de las células pancreáticas productoras de insulina (células β del islote de Langerhans). La enzima transcriptasa inversa se une al ARNm y forma una sola hebra de ADNc (ADN complementario). La ADN polimerasa luego polimerizó adicionalmente el ADNc para formar un ADN de doble hebra. Las copias de ADN se preparan luego realizando la reacción en cadena de la polimerasa (PCR). El ADN amplificado se transfiere a un plásmido (ADN circular extracelular) de E. coli. El proceso de inserción de ADN / gen se logra cortando y ligando el plásmido con enzimas de restricción y ADN ligasa. Este plásmido tiene genes de resistencia a antibióticos para tetraciclina y ampicilina. 

           En el siguiente paso, se requiere la inserción de plásmidos en E. coli; este proceso se conoce como transformación. La membrana celular de E. coli se hace porosa y se prepara para la absorción de plásmido mediante la introducción de cloruro de calcio en el medio que contiene las células. Después de esto, los plásmidos se introdujeron en el medio y las células absorbieron los plásmidos después de dar calor o choque eléctrico (electroporación) a las células. Después de la electroporación, existen posibilidades de obtener dos tipos de células:

- Células sin plásmido

- Células con un plásmido recombinante deseado que contiene el gen de la insulina.

¿Cómo identificar las células de E. coli deseadas con plásmido recombinante?

Los plásmidos recombinantes, absorbidos por las células de E. coli, producen resistencia a los antibióticos en las células de E. coli. Por esta virtud, las células deseadas se distinguen entre los tipos anteriores de células de E. coli obtenidas después de la electroporación. Las células que contienen plásmido recombinante sobrevivirán en el medio que contiene ampicilina y tetraciclina. Sin embargo, las células sin plásmido no sobrevivirán en este medio.

Figura 3: Representación esquemática de la transferencia de plásmidos y la identificación de clones. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Artificial_Bacterial_Transformation.svg

Producción de insulina

Las células de E. coli recombinantes se aislaron, identificaron y luego se transfirieron a un gran fermentador para su producción a gran escala. Los medios de cultivo y nutrientes se preparan agregando cantidades óptimas de sal, azúcar, nitrógeno y agua para E. coli. También se agrega ampicilina al medio de cultivo para restringir el crecimiento de células no deseadas y la contaminación microbiana. Se espera que las células de E. coli dupliquen su número cada 20-30 minutos. Las células de E. coli se dividen durante varios días para aumentar su número. Después de esto, se agregan varios agentes químicos al medio que inicia la producción de insulina al eliminar la proteína represora del gen de la insulina, lo que resulta en la activación del gen de la insulina.

Además, se agregan algunos otros agentes químicos para desencadenar la producción de insulina en las células de E. coli. Después de unas horas, las células de E. coli producen una cantidad considerable de insulina. El caldo se saca del tanque de fermentación y las células se recolectan y separan del caldo mediante centrifugación. Se agregaron varios agentes químicos para romper la membrana celular de las células de E. coli para liberar insulina de las células. Luego, la insulina se purifica y cristaliza agregando zinc antes de distribuirla en el mercado.

¿Por qué es necesaria la insulina sintética?

La insulina recombinante está satisfaciendo las demandas a nivel mundial. Este proceso de producción de insulina hizo que la insulina fuera asequible y disponible de una manera mucho mejor en comparación con los métodos utilizados anteriormente. La insulina recombinante dio libertad a los sujetos para vivir una vida cotidiana sin preocuparse mucho por sus niveles de azúcar en sangre. La biosíntesis de insulina recombinante proporciona un rayo de esperanza para la producción de otras hormonas recombinantes necesarias en diversas condiciones fisiológicas.

Biosíntesis de combustibles

¿Qué son los biocombustibles?

Los biocombustibles se producen generalmente a partir de biomasa, como residuos vegetales y animales. Puede tener el potencial de utilizarse como sustituto de los combustibles fósiles. A diferencia de los combustibles fósiles (como el carbón, el petróleo, el gas natural y el gas natural), los biocombustibles se consideran una buena fuente de energía verde y renovable. Por lo general, son respetuosos con el medio ambiente y rentables, los biocombustibles tienen un futuro prometedor, ya que pueden utilizarse como sustitutos de los combustibles fósiles en el contexto del aumento de los precios de la gasolina y una posible escasez de combustibles fósiles pronto. 

Figura 4: Concepto de biosíntesis de energía renovable https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Logo_Renewable_Energy_by_Melanie_Maecker-Tursun_V1_bgGreen.svg

Producción de biocombustibles

Los biocombustibles se sintetizan por acción de microorganismos (generalmente bacterias y hongos). El bioetanol se sintetiza mediante la fermentación de carbohidratos, mientras que el biodiesel (éster) se obtiene de la fermentación de aceites y grasas. Los biocombustibles obtenidos a partir de las sustancias mencionadas anteriormente se utilizan mediante la fermentación de carbohidratos, mientras que el biodiesel (éster) se obtiene a partir de la fermentación de aceites y grasas. Los biocombustibles obtenidos a partir de las sustancias mencionadas anteriormente se utilizan para producir una cantidad significativa de energía, y también contribuyen a la seguridad ambiental ya que afectan al medio ambiente en una mínima medida. 

Figura 5: posibles enfoques para la producción de biocombustibles.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Types_and_generation_of_biofuels.png

Tipos de biocombustibles

Bioetanol: Tiene una aplicación prometedora para su uso en motores de combustión interna. La producción rentable de bioetanol permite su uso como sustituto de los combustibles convencionales para automóviles, como la gasolina y el gasóleo. 

Síntesis de bioetanol

La síntesis de bioetanol se realiza en 4 pasos:

- Producción de biomasa por fijación de dióxido de carbono atmosférico.

- Luego, la biomasa se convierte en alimento (generalmente glucosa / almidón) y se utiliza en la fermentación.

La fermentación de la biomasa es realizada por microorganismos (levaduras o bacterias), dando como resultado la producción de concentración de etanol.

- El procesamiento y purificación posteriores de este concentrado de etanol produce bioetanol y varios subproductos. El producto final se puede utilizar para diversos fines, como energía eléctrica, calor, otros compuestos químicos, etc.

Biodiesel: Los desechos vegetales, animales y de cocina se pueden convertir en biodiésel siguiendo una serie de tecnologías experimentales. El proceso se inicia realizando reacciones químicas a temperaturas más bajas, lo que resulta en la producción de ésteres. Los ésteres son sustancias de olor dulce / agradable, y pueden ser sólidos o líquidos y son solubles en disolventes orgánicos debido a su naturaleza no polar / hidrofóbica. El éster producido ahora se puede convertir fácilmente en biodiesel y glicerina. La glicerina formada en el proceso es un subproducto y puede usarse potencialmente en cosméticos, lubricantes y enjuagues bucales.

El biodiésel formado por este método no requiere más modificaciones; por lo tanto, puede usarse directamente en estado puro y mezclarse con gasóleo para motores, quemadores y motores diesel. El uso de biodiésel a gran escala para uso industrial y de automóviles puede ayudar al mundo a combatir la crisis de los combustibles fósiles, los peligros para la salud debido a la contaminación del aire y los problemas de emisiones de gases de efecto invernadero en breve. Es biodegradable y, por lo tanto, no es tóxico.

Biosíntesis a la luz de la biotecnología

La síntesis de compuestos por métodos químicos es un proceso bien fundamentado para la producción a gran escala de diversas biomoléculas. Sin embargo, la síntesis química tiene algunos inconvenientes, como reacciones de varios pasos, intermedios de reacción inestables, control de proceso complicado, etc. La biosíntesis proporciona un enfoque alternativo y prometedor para superar estos desafíos, pero la eficiencia del proceso es la cuestión central de preocupación.

La biotecnología de diseño-construcción-evaluación-optimización (DCEO) proporciona un enfoque para desarrollar fábricas de células eficientes en asociación con técnicas conceptuales para diseñar vías para realizar la biosíntesis. Además, DCEO puede modificar y optimizar la ruta / proceso existente para la producción del bioquímico deseado. La biotecnología DCEO es un enfoque prometedor para el establecimiento de biorrefinerías en el futuro.

Conclusiones

Los microorganismos brindan tantos beneficios como los biocombustibles, la insulina y otras hormonas y la producción de biomoléculas. El uso de biodiésel es fundamental para combatir la crisis de los combustibles fósiles del futuro. Los biocombustibles son beneficiosos para el medio ambiente debido a su insignificante toxicidad. La insulina recombinante es ventajosa porque se puede producir sin sacrificar muchos animales y dañar el ecosistema. El proceso es rentable y se requiere un área significativamente menor para el crecimiento, recolección y purificación de microorganismos en forma de proteína recombinante. 

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Sobre el Dr. Abdullah Arsalan

Soy Abdullah Arsalan, completé mi doctorado en Biotecnología. Tengo 7 años de experiencia en investigación. Hasta ahora he publicado 6 artículos en revistas de renombre internacional con un factor de impacto promedio de 4.5 y pocos más están en consideración. He presentado trabajos de investigación en diversos congresos nacionales e internacionales. Mi área temática de interés es la biotecnología y la bioquímica con especial énfasis en la química de proteínas, enzimología, inmunología, técnicas biofísicas y biología molecular.

Conectémonos a través de LinkedIn (https://www.linkedin.com/in/abdullah-arsalan-a97a0a88/) o Google Scholar (https://scholar.google.co.in/citations?user=AeZVWO4AAAAJ&hl=en).

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