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Ingeniería biomolecular

La ingeniería biomolecular es la aplicación de los principios y prácticas de ingeniería a la manipulación intencionada de moléculas de origen biológico. Los ingenieros biomolecu...

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La ingeniería biomolecular es la aplicación de los 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 centrarse en soluciones a nivel molecular a cuestiones y problemas en las ciencias de la vida relacionadas 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 tales como remediación ambiental , producción de cultivos y ganado, células de biocombustibles y diagnósticos biomoleculares. Se estudian la termodinámica y la cinética del reconocimiento molecular en enzimas , anticuerpos , hibridación de ADN , 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 condujeron 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 investigación en la interfaz de la ingeniería química y la biología con énfasis en el nivel molecular". Aunque primero se definió como investigación, la ingeniería biomolecular se ha convertido desde entonces en una disciplina académica y un campo de práctica de ingeniería. Herceptin , un Mab humanizado para el tratamiento del cáncer de mama, se convirtió en el primer fármaco diseñado mediante un enfoque de ingeniería biomolecular y fue aprobado por la FDA de EE. UU . Además, Ingeniería Biomolecular era un nombre anterior de la revista New Biotechnology .

Futuro

Las tecnologías bioinspiradas del futuro pueden ayudar a explicar la ingeniería biomolecular. Si nos atenemos a la "predicción" de la ley de Moore , en el futuro los procesadores cuánticos y basados ​​en la biología serán tecnologías "grandes". Con el uso de la ingeniería biomolecular, la forma en que funcionan nuestros procesadores puede ser manipulada para que funcionen en el mismo sentido en que lo hace 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 genética, 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 aumento del conocimiento de las biomoléculas, la tasa de descubrimiento de nuevas moléculas de alto valor, incluyendo, entre otras, 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 prevé que se desarrollen enzimas industriales diseñadas para que tengan propiedades deseables para la mejora de procesos, así como para la fabricación de productos biomoleculares de alto valor a un costo de producción mucho menor. Mediante el uso de 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, entre las que se incluyen, entre otras, las proteínas, los carbohidratos, los ácidos nucleicos y los lípidos. Estas moléculas son los componentes básicos de la vida y, al controlar, crear y manipular su forma y función, se abren muchas nuevas posibilidades y ventajas a la sociedad. Dado que cada biomolécula es diferente, se utilizan varias técnicas para manipular cada una de ellas.

Proteínas

Las proteínas son polímeros que se componen de cadenas de aminoácidos unidas con enlaces peptídicos . Tienen cuatro niveles distintos de estructura: primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria. La estructura primaria se refiere a la secuencia de la cadena principal de aminoácidos. La estructura secundaria se centra en las conformaciones menores que se desarrollan como resultado de los enlaces 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 mayoría 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 láminas beta, así como hélices beta con láminas alfa .

La estructura terciaria de las proteínas se ocupa de su proceso de plegamiento y de cómo se organiza la molécula en su conjunto. Por último, 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 la conformación de la proteína o el plegamiento de una sola proteína terciaria dentro de una matriz de proteína cuaternaria. Las proteínas que son el foco principal de la manipulación son típicamente enzimas . Se trata de 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, por lo que existen divisiones específicas de ingeniería que se centran solo en las proteínas y las enzimas.

Carbohidratos

Los carbohidratos son otra biomolécula importante. Se trata de polímeros, llamados polisacáridos , que están formados por cadenas de azúcares simples conectados a través de enlaces glucosídicos . Estos monosacáridos constan de un anillo de cinco a seis carbonos que contiene carbono, hidrógeno y oxígeno, normalmente en una proporción de 1:2:1, respectivamente. Los monosacáridos comunes son la glucosa , la fructosa y la ribosa. Cuando se unen, los monosacáridos pueden formar disacáridos , oligosacáridos y polisacáridos: la nomenclatura depende de la cantidad de monosacáridos unidos entre sí. Los disacáridos comunes, dos monosacáridos unidos, son la sacarosa , la maltosa y la 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 formado 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 del papel, la cosmética y la alimentación. La quitina es un derivado de la celulosa, que posee un grupo acetamida en lugar de un -OH en uno de sus carbonos. El grupo acetamida se desacetila, la cadena de polímero se denomina entonces quitosano . Ambos derivados de la celulosa son una fuente importante de investigación para las industrias biomédica y alimentaria . Se ha demostrado que ayudan a la coagulación sanguínea , tienen propiedades antimicrobianas y aplicaciones dietéticas. Gran parte de la ingeniería y la investigación se centran 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 hace 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 un azúcar ribosa o desoxirribosa a través de un enlace beta-glucosídico. La secuencia de las bases determina el código genético. Los nucleótidos son nucleósidos que son fosforilados por quinasas específicas a través de un enlace fosfodiéster . [3] Los nucleótidos son las unidades estructurales repetitivas 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. Véase Mutagénesis dirigida al sitio , ADN recombinante y ELISA .

Lípidos

Los lípidos son biomoléculas que se componen de derivados de glicerol unidos con cadenas de ácidos grasos . El glicerol es un poliol simple que tiene una fórmula de C 3 H 5 (OH) 3 . Los ácidos grasos son largas cadenas de carbono 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 simple a otro carbono en la cadena de carbono, o pueden ser insaturadas; es decir, hay enlaces dobles entre los átomos de carbono en la cadena. Los ácidos grasos comunes incluyen ácido láurico , ácido esteárico y ácido oleico . El estudio y la ingeniería de lípidos generalmente se centra en la manipulación de las membranas lipídicas y la encapsulación. Las membranas celulares y otras membranas biológicas generalmente consisten 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 propiedades de encapsulación y características termodinámicas , los lípidos se convierten en activos importantes en el control de la estructura y la energía durante la ingeniería de moléculas.

De moléculas

ADN recombinante

El ADN recombinante son biomoléculas de ADN que contienen secuencias genéticas que no son nativas del genoma del organismo. Mediante técnicas recombinantes, es posible insertar, eliminar o alterar una secuencia de ADN de forma precisa sin depender de la ubicación de los sitios de restricción. El ADN recombinante se utiliza para una amplia gama de aplicaciones.

Método

Creación de ADN recombinante. Después de que el plásmido es cortado por enzimas de restricción, las ligasas insertan los fragmentos de ADN extraño en el plásmido.

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 extraño, que también se han cortado con la misma endonucleasa de restricción, se han insertado en la célula huésped, el gen de la endonucleasa de restricción se expresa aplicando calor, [4] o introduciendo una biomolécula, como la arabinosa. [5] Tras la expresión, la enzima escindirá el plásmido en su sitio de reconocimiento correspondiente creando extremos pegajosos en el plásmido. A continuación, las ligasas unen los extremos pegajosos a los extremos pegajosos correspondientes de los fragmentos de ADN extraño creando un plásmido de ADN recombinante.

Los avances en ingeniería genética han hecho que la modificación de genes en microbios sea bastante eficiente, permitiendo que se realicen construcciones en aproximadamente una semana. También ha hecho posible modificar el genoma del organismo en sí. Específicamente, el uso de los genes del bacteriófago lambda se utiliza 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 bicatenario con actividad de 5' a 3'. Corta el ADN bicatenario dejando salientes 3'. Beta es una proteína que se une al ADN monocatenario y ayuda a la recombinación homóloga al promover la hibridación 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, lo que hace posible modificar cualquier biomolécula. Se puede diseñar para fines de laboratorio, donde se puede utilizar para analizar genes en un organismo determinado. En la industria farmacéutica, las proteínas se pueden modificar utilizando técnicas de recombinación. Algunas de estas proteínas incluyen la 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 de crecimiento humana , [9] el factor VIII y la vacuna contra la hepatitis B se producen utilizando medios 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 adjuntas, para reconocer diferentes sustratos o ser modificados para la bioinmovilización. El ADN recombinante también es responsable de muchos productos que se encuentran en la industria agrícola. Los alimentos modificados genéticamente , 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 incorporado a los cultivos incluyen la resistencia a los herbicidas [11] y la resistencia a los insectos. [12]

Mutagénesis dirigida al sitio

La mutagénesis dirigida es una técnica que se utiliza desde la década de 1970. Los primeros días de investigación en este campo produjeron 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 par de bases no coincidentes o una serie de pares no coincidentes. [13]

Procedimiento general

La mutagénesis dirigida es una técnica valiosa que permite la sustitución de una única base en un oligonucleótido o gen. Los principios básicos de esta técnica implican la preparación de un cebador que será una cadena complementaria a un plásmido bacteriano de tipo salvaje. Este cebador tendrá un desajuste de pares de bases en el sitio donde se desea la sustitución. El cebador también debe ser lo suficientemente largo como para que se asocie al plásmido de tipo salvaje. Después de que el cebador se asocie, una ADN polimerasa completará el cebador. Cuando se replica el plásmido bacteriano, también se replicará la cadena mutada. La misma técnica se puede utilizar para crear una inserción o deleción de genes. 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.

Esta animación muestra los pasos básicos de la mutagénesis dirigida, donde XY es el reemplazo del par de bases deseado de TA.

Aplicaciones

La mutagénesis dirigida al sitio puede ser útil por muchas razones diferentes. Un solo reemplazo de par de bases cambiará el codón , reemplazando potencialmente un aminoácido en una proteína. La mutagénesis puede ayudar a determinar la función de las proteínas y los roles de aminoácidos específicos. Si se muta un aminoácido cerca del sitio activo, los parámetros cinéticos pueden cambiar drásticamente, o la enzima puede comportarse de manera diferente. Otra aplicación de la mutagénesis dirigida al sitio es intercambiar 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 de la enzima y el uso de enzimas en procesos continuos. A veces, se agregan aminoácidos con grupos funcionales no naturales (como un aldehído introducido a través de una etiqueta de aldehído ) a las proteínas. [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. Un ejemplo de cómo se utiliza la mutagénesis se encuentra en el acoplamiento de la mutagénesis dirigida al sitio y la PCR para reducir la actividad de la interleucina-6 en células cancerosas. [15] En otro ejemplo, se utiliza Bacillus subtilis en la mutagénesis dirigida al sitio, para secretar la enzima subtilisina a través de la pared celular. [16] Los ingenieros biomoleculares pueden manipular deliberadamente este gen para convertir esencialmente a la célula en una fábrica para producir cualquier proteína que la inserción en el gen codifique.

Bioinmovilización y bioconjugación

La bioinmovilización y la bioconjugación son la manipulación intencionada de la movilidad de una biomolécula por medios químicos o físicos para obtener una propiedad deseada. La inmovilización de biomoléculas permite explotar las características de la molécula en entornos controlados. Por ejemplo [17] , la inmovilización de la glucosa oxidasa en perlas de gel de alginato de calcio se puede utilizar en un biorreactor. El producto resultante no necesitará purificación para eliminar la enzima porque permanecerá ligada a las perlas en la columna. Ejemplos de tipos de biomoléculas que se inmovilizan son enzimas, orgánulos y células completas. Las biomoléculas se pueden inmovilizar utilizando una variedad de técnicas. Las 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 ser entre redes de polímero, conocido como atrapamiento de gel, o dentro de microcavidades de fibras sintéticas, conocido como atrapamiento de fibra. 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 del soporte. Puede ser adsorción física, enlace iónico o quelación por unión de metales. Estas técnicas se pueden realizar en condiciones suaves y son relativamente simples, aunque los enlaces dependen en gran medida del pH, el solvente y la temperatura. Algunos ejemplos incluyen ensayos inmunoabsorbentes ligados a enzimas.
  • Modificación covalente: implica reacciones químicas entre determinados 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 un enlace químico con los grupos funcionales, puede producirse una pérdida de actividad. Algunos ejemplos de químicas utilizadas son el acoplamiento DCC [19], el acoplamiento PDC y el acoplamiento EDC/NHS, todos los cuales aprovechan las aminas reactivas de 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, [20] la temperatura, la elección del solvente, la fuerza iónica, la orientación de los sitios activos debido a la conjugación. Para las enzimas, la conjugación reducirá la tasa cinética debido a un cambio en la estructura tridimensional, por lo que se debe tener cuidado para asegurar 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 monitorear 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 a ELISA . [21]

Reacción en cadena de la polimerasa

Reacción en cadena de la polimerasa. La PCR consta de tres pasos principales. En el primer paso, las cadenas de ADN de doble cadena se "funden" o desnaturalizan para formar ADN monocatenario. A continuación, los cebadores, que se han diseñado para dirigirse a una secuencia genética específica del ADN, se unen al ADN monocatenario. Por último, la ADN polimerasa sintetiza una nueva cadena de ADN complementaria al ADN original. Estos tres pasos se repiten varias veces hasta que se obtiene el número deseado de copias.

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 desempeñado 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 obtener 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 habitualmente 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 añadirán al cebador en crecimiento requieren un bloqueo para evitar reacciones secundarias no deseadas. Este bloqueo de grupos funcionales, así como el desbloqueo posterior de los grupos, el acoplamiento de nucleótidos posteriores y la escisión final del soporte sólido [23] son ​​todos 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 antígeno - anticuerpo para probar la presencia de ciertas sustancias. Los tres tipos principales de pruebas ELISA , que son ELISA indirecta , ELISA sándwich y ELISA competitiva, se basan en el hecho de que los anticuerpos tienen afinidad por un solo antígeno específico . Además, estos antígenos o anticuerpos se pueden unir 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 más comúnmente como pruebas de diagnóstico para detectar anticuerpos contra el VIH en muestras de sangre para probar el VIH, moléculas de gonadotropina coriónica humana en orina para indicar embarazo y anticuerpos contra Mycobacterium tuberculosis en sangre para probar a los pacientes para detectar tuberculosis. Además, ELISA también se usa ampliamente como una prueba toxicológica para analizar el suero de las personas para detectar la presencia de drogas ilegales.

Técnicas implicadas en ELISA

Aunque existen 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 el primer ejemplo de ingeniería biomolecular que se puede ver en la implementación de ELISA . Este paso se puede realizar de varias maneras, incluido un enlace covalente a una superficie que puede estar recubierta con proteína u otra sustancia. La bioinmovilización también se puede realizar a través de interacciones hidrofóbicas entre la molécula y la superficie. Debido a que existen 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 con un anticuerpo o un antígeno, dependiendo del tipo de ELISA . Hay mucho que considerar en esta bioconjugación enzimática , como evitar la interferencia con el sitio activo de la enzima , así como 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 la respuesta inmunitaria. El uso de la prueba ELISA de tipo sándwich cuantifica la presencia de esta citocina en muestras de líquido cefalorraquídeo o médula ósea. [27]

Aplicaciones y campos

En la industria

Gráfico que muestra el número de empresas de biotecnología por país [28]
Gráfico que muestra los porcentajes de empresas de biotecnología por aplicación [29]

La ingeniería biomolecular es una disciplina muy amplia con aplicaciones en muchas industrias y campos diferentes. Como tal, es difícil señalar una perspectiva general sobre la profesión de ingeniería biomolecular. Sin embargo, la industria de la biotecnología proporciona una representación adecuada. La industria de la biotecnología, o industria biotecnológica, abarca todas las empresas que utilizan la biotecnología para producir bienes o servicios o para realizar investigación y desarrollo biotecnológico. [28] De esta manera, abarca muchas de las aplicaciones industriales de la disciplina de 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 biotecnológica 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 queda en empresas relacionadas con la salud. [ cita requerida ]

Ampliar

La ampliación de escala 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 de escala es una parte crucial de la comercialización de un proceso. Por ejemplo, la insulina producida por bacterias Escherichia coli modificadas genéticamente se inició a escala de laboratorio, pero para que fuera comercialmente viable tuvo que ampliarse a un nivel industrial. Para lograr esta ampliación de escala, se tuvieron que utilizar muchos 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 la relación Potencia/Volumen de los cristalizadores a escala de laboratorio y a gran escala iguales 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

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 la bioingeniería incluyen:

Bioquímica

La bioquímica es el estudio de los procesos químicos en los organismos vivos, incluida, entre otras cosas, la materia viva. Los procesos bioquímicos rigen todos los organismos vivos y los procesos vivos, y el campo de la bioquímica busca comprender y manipular estos procesos.

Ingeniería bioquímica

Biotecnología

  • Biomateriales – Diseño, síntesis y producción de nuevos materiales para dar soporte a células y tejidos.
  • Ingeniería genética : Manipulación intencionada de los genomas de los organismos para producir nuevos rasgos fenotípicos.
  • Bioelectrónica , Biosensores y Biochips : 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 finos y farmacéuticos.

Ingeniería bioeléctrica

La ingeniería bioeléctrica se ocupa de los campos eléctricos generados por células u organismos vivos. Entre los ejemplos se incluye el potencial eléctrico desarrollado entre los músculos o los nervios del cuerpo. Esta disciplina requiere conocimientos en los campos de la electricidad y la biología para comprender y utilizar estos conceptos con el fin de mejorar o perfeccionar los bioprocesos o la tecnología actuales.

  • Bioelectroquímica : Química que estudia el transporte de electrones y protones a través de la célula.
  • Bioelectrónica : campo de investigación que combina la biología y la 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 avances de la ingeniería. Algunas aplicaciones de la ingeniería biomédica incluyen:

Ingeniería química

La ingeniería química es el procesamiento de materias primas para obtener 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 implica ciertos bloques básicos llamados "operaciones unitarias", como la extracción, la filtración y la 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 creadas por organismos vivos.

Educación y programas

Los programas de licenciatura recientemente desarrollados y ofrecidos en los Estados Unidos, a menudo acoplados al programa de ingeniería química, permiten a los estudiantes obtener un título de licenciatura . Según ABET (Accreditation Board for Engineering and Technology), los planes de estudio de ingeniería biomolecular "deben proporcionar una base sólida en las ciencias básicas, incluida la química, la física y la biología, con algún contenido de nivel avanzado... [y] la aplicación de ingeniería de estas ciencias básicas al diseño, análisis y control de procesos químicos, físicos y/o biológicos". [33] Los planes de estudio comunes consisten en cursos de ingeniería importantes 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 centrados en biología celular, nano y biotecnología, biopolímeros, etc. [34]

Véase también

Referencias

  1. ^ Steinert, David (2000) La historia de la medicina en la Segunda Guerra Mundial: "Historia de la medicina en la Segunda Guerra Mundial". Archivado desde el original el 13 de abril de 2010. Consultado el 12 de abril de 2012 .
  2. ^ Ryu, DDY; Nam, D.-H. (2000). "Progreso reciente en ingeniería biomolecular". Biotechnol. Prog . 16 (1): 2–16. doi :10.1021/bp088059d. PMID  10662483. S2CID  31446269.
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Lectura adicional

  • Ingeniería biomolecular en interfases (artículo)
  • Avances recientes en ingeniería biomolecular
  • Sensores biomoleculares ISBN 074840791X (documento alcalino) 
  • Conferencia internacional de ingeniería biomolecular de la AIChE
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