Ingeniería celular biotecnológica
1. Tecnología de cultivo celular
La tecnología de cultivo celular es la tecnología básica de la ingeniería celular. El llamado cultivo celular es una tecnología que toma una pequeña porción de una determinada parte de un organismo biológico y la cultiva para que crezca y se divida. El cultivo celular también se llama cultivo de tejidos. En las últimas dos décadas se han realizado importantes avances teóricos en la investigación en biología celular, como el descubrimiento de la totipotencia celular, el ciclo celular y su regulación, la investigación sobre la carcinogénesis y la senescencia celular, la expresión y regulación de genes, etc. , son inseparables de la tecnología de cultivo celular.
El cultivo celular in vitro es un medio que suministra los nutrientes que necesitan células enteras animales y vegetales. Además de ser ricos en nutrientes, los medios de cultivo generalmente también contienen trazas de sustancias que estimulan el crecimiento y desarrollo celular. Generalmente, existen dos tipos de medios de cultivo, sólidos y líquidos, que sólo pueden utilizarse después de la esterilización. Además, la temperatura, la luz y la frecuencia de oscilación también son condiciones importantes que afectan la cultura.
El proceso básico del cultivo de células y tejidos vegetales incluye los siguientes pasos:
El primer paso es cultivar células de partes o tejidos específicos de plantas sanas, como raíces, tallos, hojas, flores, frutos y El material de partida para el cultivo (explantes) se selecciona del polen.
El segundo paso consiste en utilizar determinados productos químicos (hipoclorito de sodio, cloruro de mercurio, alcohol, etc.) para desinfectar la superficie del explante. ) Establecer un sistema de cultivo estéril.
En tercer lugar, se forman el tejido calloso y los órganos. El tejido calloso luego se diferencia y brota, y puede inducirse aún más a formar plantas pequeñas.
Existen dos formas de cultivar células animales. Uno se llama cultivo sin monocapa: es decir, las células no se adhieren a la pared durante el proceso de cultivo y las condiciones son más complejas y difíciles, pero es fácil obtener una gran cantidad de células cultivadas al mismo tiempo. . Este método se utiliza habitualmente para el cultivo de linfocitos, células tumorales y algunas células transformadas. Otro método de cultivo es el cultivo en monocapa: también llamado unión celular. Las células adheridas crecen en una sola capa, por lo que este método también se llama cultivo celular en monocapa. La mayoría de las células de mamíferos deben cultivarse de esta manera.
Las células animales no se pueden cultivar fuera del cuerpo. Tomando como ejemplo el cultivo de células de piel humana, los pasos principales del cultivo de células animales son los siguientes:
El primer paso es tomar una cantidad adecuada de tejido de un animal sano en condiciones estériles y cortarlo en trozos pequeños. rebanadas.
El segundo paso consiste en añadir concentraciones adecuadas de enzimas y sustancias auxiliares de la digestión para dispersar las células.
En tercer lugar, después de lavar y purificar las células dispersas, se añaden al medio de cultivo en una concentración adecuada, se cultivan a 37 °C y se subcultivan a su debido tiempo.
En cultivo celular, a menudo utilizamos una palabra: clonación. La palabra clon es una transliteración del inglés clon y se refiere a la reproducción asexual y a grupos celulares o grupos biológicos obtenidos mediante reproducción asexual. Los clones celulares se refieren a líneas de células propagadas asexualmente. La clonación natural existe desde hace mucho tiempo en la naturaleza. Por ejemplo, los gemelos idénticos son en realidad un tipo de clonación.
En ingeniería genética existe otro método llamado clonación molecular, que fue propuesto por Cohen et al. La clonación molecular ocurre a nivel molecular de ADN. Se refiere a un clon molecular de ADN obtenido extrayendo un gen de una célula como gen exógeno, conectándolo a un vector in vitro y luego introduciéndolo en otra célula receptora para su replicación autónoma.
2. Tecnología de transferencia nuclear
Debido a que la clonación es reproducción asexual, los componentes genéticos de todos los miembros de un mismo clon son exactamente iguales, lo que favorece el mantenimiento fiel de las excelentes características de la variedad original. La gente comenzó a explorar el uso de métodos artificiales para clonar animales superiores. Hay dos métodos principales de clonación de mamíferos: segmentación de embriones y transferencia nuclear. Entre ellos, el trasplante nuclear es una nueva tecnología que se desarrolló relativamente tarde pero que tiene un gran potencial.
La tecnología de transferencia nuclear pertenece a la ingeniería citoplasmática. La llamada tecnología de transferencia nuclear se refiere a la transferencia mecánica de un núcleo celular (que contiene material genético) llamado "célula donante" a otra célula sin núcleo llamada "receptor", y luego las células recombinantes se desarrollan y diferencian aún más. El principio del trasplante nuclear se basa en la totipotencia de los núcleos de las células animales.
La idea de clonar animales mediante transferencia nuclear fue propuesta por primera vez por embriólogos alemanes en 1938. A partir de 1952, los científicos utilizaron por primera vez anfibios para realizar experimentos de clonación por transferencia nuclear y, sucesivamente, obtuvieron renacuajos y ranas adultas. 65438-0963, un equipo de investigación dirigido por el profesor Tong Dizhou de mi país estudió la tecnología de transferencia nuclear de embriones de peces utilizando peces de colores como material y logró el éxito.
Hasta 1995, la transferencia nuclear embrionaria ha tenido éxito en todos los mamíferos importantes, pero la transferencia nuclear de células diferenciadas en animales adultos aún no ha tenido éxito.
1996, Instituto Roslin, Edimburgo, Reino Unido, Ian? El equipo de investigación de Wilmut creó con éxito Dolly, la oveja clonada mediante transferencia nuclear, el primer animal clonado del mundo mediante trasplante nuclear de células somáticas de mamíferos adultos. .
No todas las células pueden utilizarse como donantes nucleares para un trasplante nuclear. Hay dos tipos de células utilizadas como donantes: células embrionarias y algunas células somáticas.
Las investigaciones demuestran que los óvulos, los ovocitos y los óvulos fecundados son células receptoras adecuadas.
En junio de 2000, la Universidad Northwest A&F clonó dos "ovejas clonadas" utilizando células somáticas de cabras adultas, lo que demostró que los científicos chinos también dominaban la tecnología de vanguardia del trasplante nuclear de células somáticas de mamíferos.
La investigación sobre la transferencia nuclear no sólo tiene un importante valor científico para aclarar la totipotencia de los núcleos de las células animales y la relación entre el núcleo y el citoplasma, sino que también tiene un importante valor económico y perspectivas de aplicación en la producción ganadera.
3. Tecnología de fusión celular
La tecnología de fusión celular pertenece a la ingeniería de fusión celular. La tecnología de fusión celular es una nueva tecnología que obtiene células híbridas y cambia sus propiedades. Se refiere al proceso de fusionar artificialmente células somáticas de la misma o diferente especie en condiciones in vitro para formar células híbridas. La fusión celular es un método importante en citogenética, inmunología celular, virología y oncología.
Los principales pasos en la fusión de células animales son:
El primer paso es la obtención de células parentales. Las células se aíslan del tejido de la muestra mediante tripsina o medios mecánicos y se cultivan en monocapa o suspensión, respectivamente.
El segundo paso es inducir la fusión. La fusión celular se realizó colocando las dos células parentales en el mismo medio de cultivo. El proceso de fusión de las células animales es generalmente: dos células están en estrecho contacto → las membranas celulares se fusionan → aparecen canales o puentes celulares entre las células → el número de puentes celulares aumenta y el área del canal se expande → dos células se fusionan en una.
Los principales pasos en la fusión de células vegetales son:
El primer paso es preparar los protoplastos parentales.
El segundo paso es inducir la fusión.
Los pasos de fusión de las células microbianas son básicamente los mismos que los de las células vegetales.
Desde la década de 1970, se han fusionado con éxito muchos tipos de células, incluidas nuevas plantas híbridas como "tomate y patata", "colza Arabidopsis" y "col champiñón". (La Figura 4-36 muestra el cultivo de plantas híbridas mediante fusión celular). Con el nivel actual de tecnología, la gente no puede fusionar muchas células distantes para cultivar individuos híbridos, especialmente células animales.
Ingeniería enzimática, ingeniería de fermentación e ingeniería de proteínas
1. Ingeniería enzimática La ingeniería enzimática se refiere al uso de funciones catalíticas específicas, como enzimas, células u orgánulos, con la ayuda de una reacción biológica. dispositivos, a través de ciertos medios técnicos para producir productos que los humanos necesitan. Es una nueva tecnología formada combinando la teoría enzimológica y la tecnología química.
La ingeniería enzimática se puede dividir en dos partes. Parte de esto es cómo producir enzimas y parte es cómo aplicarlas.
La producción de enzimas ha pasado aproximadamente por cuatro etapas de desarrollo. Originalmente, las enzimas se extraían de los intestinos de los animales. Con el desarrollo de la ingeniería enzimática, la gente utiliza cultivos de microorganismos a gran escala para obtener enzimas. Después del nacimiento de la ingeniería genética, los microorganismos productores de enzimas se transformaron mediante recombinación genética. En los últimos años ha surgido un nuevo tema candente en la ingeniería enzimática, que es la síntesis artificial de nuevas enzimas, es decir, enzimas artificiales.
El uso de enzimas también presenta algunas desventajas. Si encuentra altas temperaturas, ácidos fuertes o álcalis fuertes, perderá actividad, lo que provocará altos costos y precios. En aplicaciones prácticas, esta enzima sólo se puede utilizar una vez. La inmovilización de enzimas puede resolver estos problemas y se denomina centro de ingeniería enzimática.
A principios de los años 60, los científicos descubrieron que la actividad de muchas enzimas no disminuía en absoluto después de la inmovilización, sino que aumentaba su estabilidad. Este descubrimiento supuso un punto de inflexión en la promoción y aplicación de enzimas y el desarrollo de la ingeniería enzimática. Hoy en día, la tecnología de inmovilización de enzimas avanza rápidamente. Se manifiesta en dos aspectos:
Uno es el método fijo. Actualmente existen cuatro métodos de fijación: método de adsorción, * * método de enlace de valencia, método de reticulación y método de inclusión.
En segundo lugar, las enzimas inmovilizadas incluyen una variedad de enzimas que pueden catalizar una serie de reacciones.
En comparación con las enzimas naturales, las enzimas inmovilizadas y las células inmovilizadas tienen ventajas obvias:
1. Pueden adoptar diversas formas, como gránulos, tubos y películas, en el tanque de reacción. para una fácil extracción y un uso continuo y repetido;
2. Se mejora la estabilidad, la actividad no se pierde fácilmente y la vida útil se prolonga.
3. Opera automáticamente y realiza la producción continua controlada por computadora.
Docenas de países utilizan ahora enzimas y células inmovilizadas para la producción industrial, con productos que incluyen alcohol, cerveza, diversos aminoácidos, diversos ácidos orgánicos y productos farmacéuticos.
2. Ingeniería de fermentación
Ingeniería de fermentación moderna. También conocida como ingeniería microbiana, se refiere al uso de tecnología moderna de bioingeniería para utilizar ciertas funciones específicas de los microorganismos para producir productos útiles para los humanos o para aplicar microorganismos directamente a los procesos de producción industrial.
La fermentación es una función única de los microorganismos. El ser humano la reconoce desde hace miles de años y la utiliza para elaborar vino, pan y otros alimentos. En la década de 1920, la fermentación alcohólica, la fermentación de glicerol y la fermentación de propanol eran los principales métodos. El auge de la industria de los antibióticos en los Estados Unidos a mediados de la década de 1940, la producción a gran escala de penicilina y el éxito de la fermentación del ácido glutámico en Japón promovieron en gran medida el desarrollo de la industria de la fermentación.
En la década de 1970, con el rápido desarrollo de la biotecnología, como la recombinación genética y la fusión celular, la industria de la fermentación entró en la etapa de la ingeniería de fermentación moderna. No sólo produce bebidas alcohólicas, ácido acético y pan, sino que también produce una variedad de medicamentos y medicamentos para el cuidado de la salud, como insulina, interferón, hormona del crecimiento, antibióticos y vacunas. También produce materiales de producción agrícola como pesticidas naturales y bacterias. fertilizantes y herbicidas microbianos. La industria química produce aminoácidos y especias, biopolímeros, enzimas, vitaminas, proteínas unicelulares, etc.
A grandes rasgos, la ingeniería de fermentación consta de tres partes: ingeniería upstream, ingeniería de fermentación e ingeniería downstream. Los proyectos upstream incluyen la selección de excelentes plantas de semillas, la determinación de las condiciones óptimas de fermentación (pH, temperatura, oxígeno disuelto, nutrientes) y la preparación de nutrientes. La ingeniería de fermentación se refiere principalmente a la tecnología de cultivar una gran cantidad de células en tanques de fermentación y producir metabolitos en condiciones óptimas de fermentación. La ingeniería downstream se refiere a la tecnología de separación y purificación de productos del caldo de fermentación.
Los pasos de la ingeniería de fermentación generalmente incluyen:
El primer paso es la selección de cepas.
El segundo paso es la preparación y esterilización del medio de cultivo.
El tercer paso es ampliar el cultivo y la inoculación.
El cuarto paso es el proceso de fermentación.
El quinto paso es la separación y purificación.
La ingeniería de fermentación se ha utilizado ampliamente en muchos campos, como la industria farmacéutica, la industria alimentaria, la agricultura, la industria metalúrgica y la protección del medio ambiente.
3. Proyecto de proteínas
En la biotecnología moderna, los proyectos de proteínas aparecieron a principios de los años 80. La ingeniería de proteínas se refiere a la producción de moléculas de proteínas con nuevas estructuras y funciones que no se encuentran en la naturaleza y que son útiles para la vida humana mediante síntesis artificial basada en una comprensión profunda de la estructura espacial de las proteínas y la relación entre estructura y función. y dominar la tecnología de manipulación genética.
Existen dos tipos principales de proyectos de proteínas:
Uno es diseñar desde cero, es decir, diseñar y sintetizar proteínas completamente según la voluntad humana. El diseño de novo es el tipo de operación más importante y difícil en la ingeniería de proteínas. En la actualidad, la tecnología aún no está madura y las proteínas sintetizadas son sólo pequeños péptidos cortos.
El segundo tipo es la mutagénesis dirigida al sitio y la modificación local, es decir, solo se realizan modificaciones locales en función de la proteína existente. Esta tecnología, que tiene como objetivo cambiar la estructura molecular de las proteínas provocando mutaciones dirigidas al sitio de una o varias bases, se denomina mutagénesis dirigida a genes.
El procedimiento básico del proyecto de proteínas es: primero determinar la secuencia de aminoácidos en la proteína, determinar y predecir la estructura espacial de la proteína, establecer el modelo de estructura espacial de la proteína y luego proponer ideas. para procesar y transformar la proteína, mediante mutaciones de ubicación genética, etc. El método obtiene el nuevo gen proteico requerido y luego realiza la síntesis de proteínas. (Figura 4-37)
Dado que la ingeniería de proteínas se desarrolló sobre la base de la ingeniería genética y tiene muchas similitudes técnicas con la tecnología de ingeniería genética, la ingeniería de proteínas también se denomina ingeniería genética de segunda generación.
El Proyecto Proteína ha encontrado nuevas formas de transformar la estructura y función de las proteínas, y también indica que es posible que los humanos diseñen y creen proteínas excelentes que no existen en la naturaleza, generando así enormes beneficios sociales y económicos. beneficios.