Genetic Engineering and the Ferment

Genetic Engineering and the Fermentation Technologies
Biotechnology—an introduction Biotechnology involves the use in industry of living organisms or their components (such as enzymes). It includes the introduction of geneti- cally engineered micro-organisms into a variety of industrial processes. The pharmaceutical, chemical, and food proc- essing industries, in that order, are most likely to take advantage of advances in molecular ge- netics. Others that might also be affected, al- though not as immediately, are the mining, crude oil recovery, and pollution control in- dustries. Because nearly all the products of biotechnol- ogy are manufactured by micro-organisms, fer- mentation is an indispensable element of bio- technology’s support system. The pharmaceuti- cal industry, the earliest beneficiary of the new knowledge, is already producing pharmaceu- ticals derived from genetically engineered micro-organisms. The chemical industry will take longer to make use of biotechnology, but the ultimate impact may be enormous. The food processing industry will probably be affected last. This report examines many of the pharma- ceutical industry’s products in detail, as well as Fermentation There are several ways that DNA can be cut, spliced, or otherwise altered. But engineered DNA by itself is a static molecule. To be any- thing more than the end of a laboratory exer- cise, the molecule must be integrated into a sys- tem of production; to have an impact on society at large, it must become a component of an in- dustrial or otherwise useful process. The process that is central to the economic some of the secondary impacts that the technol- ogies might have. Because the chemical and food industries will feel the major impact of bio- technology later, specific impacts are less cer- tain and particular products are less identifi- able. The mining, oil recovery, and pollution control industries are also candidates for the use of genetic technologies. However, because of technical, scientific, legal, and economic un- certainties, the success of applications in these industries is more speculative. The generalizations made with respect to each of the industries should be viewed as just that—generalizations. Because a wide array of products can be made biologically, and because different factors influence each instance of pro- duction, isolated examples of success may ap- pear throughout the industries at approximate- ly the same time. In almost every case, specific predictions can only be made on a product-by- product basis; for while it may be true that bio- technology’s overall impact will be profound, identifying many of the products most likely to be affected remains speculative. success of biotechnology has been around for centuries. It is fermentation, essentially the process used to make wine and beer. It can also produce organic chemical compounds using micro-organisms or their enzymes. Over the years, the scope and efficiency of the fermentation process has been gradually im- proved and refined. Two processes now exist, both of which will benefit from genetic engi- 49
Page 5
50 . Impacts of Applied Genetics—Micro-Organisms, Plants, and Animals neering. In fermentation technology, living or- ganisms serve as miniature factories, convert- ing raw materials into end products. In enzyme technology, biological catalysts extracted from those living organisms are used to make the products. Fermentation industries The food processing, chemical, and pharma- ceutical industries are the three major users of fermentation today. The food industry was the first to exploit micro-organisms to produce alcoholic beverages and fermented foods. Mid- 16th century records describe highly sophisti- cated methods of fermentation technology. Heat processing techniques, for example, anticipated pasteurization by several centuries. [n the early 20th century, the chemical in- dustry began to use the technology to produce organic solvents like ethanol, and enzymes like amylase, used at the time to treat textiles. The chemical industry’s interest in fermentation arose as the field of biochemistry took shape around the turn of the century. But it was not until World War I that wartime needs for the organic solvent acetone—to produce the cor- dite used in explosives–substantially increased research into the potential of fermentation. Thirty years later after World War 11, the phar- maceutical industry followed the chemical in- dustry’s lead, applying fermentation to the pro- duction of vitamins and new antibiotics. Today, approximately 200 companies in the United States and over 500 worldwide use fermentation technologies to produce a wide variety of products. Most use them as part of production processes, usually in food process- ing. But others manufacture either proteins, which can be considered primary products, or a host of secondary products, which these pro- teins help produce. For genes can make en- zymes, which are proteins; and the enzymes can help make alcohol, methane, antibiotics, and many other substances. Proteins, the primary products, function as: enzymes such as asparaginase which are used in the treatment of leukemia; q q q q structural components, such as collagen, used in skin transplants following burn trauma; certain hormones, such as insulin and human growth hormone; substances in the immune system, such as antibodies and interferon; and specialized functional components, such as hemoglobin. Fermentation technologies are so useful for pro- ducing proteins partly because these are the direct products of genes. But proteins (as en- zymes) can also be used in thousands of addi- tional conversions to produce practically any organic chemical and many inorganic ones as well: (See figure 16. ) Figure 16.-Diagram of Products Available From Cells isolated B Raw material Product In (A) DNA directs the formation of a protein, such as in- sulin, which is itself the desired product. In (B), DNA directs the formation of an enzyme which, in turn, converts some raw material, such as sugar, to a product, such as ethanol. SOURCE: Office of Technology Assessment.
Page 6
Ch. 3—Genetic Engineering and the Fermentation Technologies . 51 carbohydrates, such as fructose sweeten- ers; lipids, such as vitamins A, E, and K; alcohols, such as ethanol; other organic compounds, such as acetone; and inorganic chemicals, such as ammonia, for use in fertilizers. Fermentation is not the only way to manufac- ture or isolate these products. Some are tradi- tionally produced by other methods. If a change from one process to another is to occur, both economic and societal pressures will help deter- mine whether an innovative approach will be used to produce a particular product. Alan Bull has identified four stimuli for change and in- novation: 1 1. abundance of a potentially useful raw material; 2. scarcity of an established product; 3. discovery of a new product; and 4. environmental concerns. And conditions existing today have added a fifth stimulus: 5. scarcity of a currently used raw material. Each of these factors has tended to accelerate the application of fermentation. 1. Abundance of a potentially useful raw ma- terial.—The use of a raw material can be the driving force in developing a process. When straight chain hydrocarbons (n-al- kanes) were produced on a large scale as petroleum refinery byproducts, fermenta- tion processes were developed to convert them to single-cell proteins for use in ani- mal feed. 2. Scarcity of an established product.—The new-found potential for producing human hormones through fermentation technol- ogy is a major impetus to the industry to- day. Similarly, many organic compounds once obtained by other processes—like citric acid, which was extracted directly ‘/. ‘I”. lhJll, 11. [:. FllWrCM)Ci, and (:. Rat ledge, kficrobia/ Techndo,gv: (~urrent Sfafe, Future Prospects, Z$lth Symposium ot’ the Society for (kllf>l’iil hlicrut)iub~y al 1 llll)f~rsitv uf (:iilllt)l’itl~f~, April 1979 ((:illllt)l’idg(’, l’;ll~lillld: (kmt)ridge [~l;ilwrsit}~ Press, 1 979), pp. 4-8. 3. 4. 5. from citrus fruits—are now made by fer- mentation. As a result of more efficient technology, products from vitamin B12 to steroids have come into wider use. Discovery of a new product.—The discovery that antibiotics were produced by micro- organisms sparked searches for an entirely new group of products. Several thousand antibiotics have been discovered to date, of which over a hundred have proved to be clinically useful. Environmental concerns. —The problems of sewage treatment and the need for new sources of energy have triggered a search for methods to convert sewage and munici- pal wastes to methane, the principal com- ponent of natural gas. Because micro-orga- nisms play a major role in the natural cy- cling of organic compounds, fermentation has been one method used for the conver- sion. Scarcity of a currently used raw materi- a/.—Because the Earth’s supplies of fossil fuels are rapidly dwindling, there is intense interest in finding methods for converting other raw materials to fuel. Fermentation offers a major approach to such conver- sions. Fermentation technologies can be effective in each of these situations because of their out- standing versatility and relative simplicity. The processes of fermentation are basically identi- cal, no matter what organism is selected, what medium used, or what product formed. The same apparatus, with minor modifications, can be used to produce a drug, an agricultural prod- uct, a chemical, or an animal feed supplement. Fermentation using whole living cells Originally, fermentation used some of the most primitive forms of plant life as cell fac- tories. Bacteria were used to make yogurt and antibiotics, yeasts to ferment wine, and the filamentous fungi or molds to produce organic acids. More recently, fermentation technology has begun to use cells derived from higher plants and animals

Kết quả (Việt) 2:

Kỹ thuật di truyền và các quá trình lên men công nghệ
Công nghệ sinh học-Công nghệ sinh học giới thiệu liên quan đến việc sử dụng trong ngành công nghiệp của các sinh vật sống hoặc các thành phần của họ (chẳng hạn như các enzyme). Nó bao gồm việc giới thiệu geneti- biệt thiết kế vi sinh vật vào một loạt các quy trình công nghiệp. Các dược phẩm, hóa chất, thực phẩm và những tiến trình công nghiệp essing, theo thứ tự, có nhiều khả năng để tận dụng lợi thế của những tiến bộ trong netics ge- phân tử. Những người khác mà cũng có thể bị ảnh hưởng, mặc dù không phải là ngay lập tức, là việc khai thác, thu hồi dầu thô, và kiểm soát ô nhiễm ngành nghề hiệu quả. Bởi vì gần như tất cả các sản phẩm của công nghệ sinh học được sản xuất bởi các vi sinh vật, quá trình thực fer- là một yếu tố không thể thiếu của hệ thống hỗ trợ công nghệ sinh học của. Các ngành công nghiệp cal pharmaceuti-, người thụ hưởng sớm nhất của các kiến thức mới, đã được sản xuất ticals pharmaceu- bắt nguồn từ biến đổi gen vi sinh vật. Các ngành công nghiệp hóa chất sẽ mất nhiều thời gian để làm cho việc sử dụng các công nghệ sinh học, nhưng tác động cuối cùng có thể là rất lớn. Ngành công nghiệp chế biến thực phẩm có thể sẽ bị ảnh hưởng trước. Báo cáo này nghiên cứu nhiều sản phẩm của các ngành công nghiệp bổ sung miêu tả pharma- của chi tiết, cũng như lên men Có một số cách mà DNA có thể được cắt, ghép, hoặc bằng cách khác thay đổi. Nhưng DNA thiết kế bởi chính nó là một phân tử tĩnh. Để có điều mở bất kỳ hơn khi kết thúc một tập gì exer- phòng thí nghiệm, các phân tử phải được tích hợp vào một hệ thống sản xuất; để có một tác động về xã hội nói chung, nó phải trở thành một thành phần của một quá trình dustrial hoặc hữu ích tư. Quá trình đó là trung tâm kinh tế một số các tác động thứ cấp mà ogies technol- có thể có. Bởi vì các ngành công nghiệp hóa chất và thực phẩm sẽ cảm thấy tác động lớn của công nghệ sinh học sau này, các tác động cụ thể là tain ít cer- và các sản phẩm đặc biệt là ít identifi- thể. Các ngành công nghiệp kiểm soát khai thác, thu hồi dầu và ô nhiễm cũng là ứng cử viên cho việc sử dụng công nghệ di truyền. Tuy nhiên, vì những điều chắc chắn un- kỹ thuật, khoa học, pháp lý và kinh tế, sự thành công của các ứng dụng trong các ngành công nghiệp là đầu cơ nhiều hơn. Các khái quát thực hiện đối với từng ngành công nghiệp có nên được xem như chỉ là-khái quát. Bởi vì một mảng rộng các sản phẩm có thể được thực hiện về mặt sinh học, và bởi vì các yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến mỗi thể hiện của sự sản xuất, ví dụ bị cô lập thành công có thể cận lê khắp các ngành công nghiệp tại approximate- ly cùng một lúc. Trong hầu hết mọi trường hợp, dự đoán cụ thể chỉ có thể được thực hiện trên cơ sở sản phẩm sản phẩm phụ; vì trong khi nó có thể đúng là tác động tổng thể của công nghệ sinh học sẽ sâu rộng, xác định rất nhiều các sản phẩm có khả năng bị ảnh hưởng nhiều nhất vẫn là đầu cơ. thành công của công nghệ sinh học đã được xung quanh trong nhiều thế kỷ. Đó là quá trình lên men, cơ bản là quá trình dùng để làm rượu và bia. Nó cũng có thể sản xuất các hợp chất hóa học hữu cơ sử dụng các vi sinh vật hoặc các enzyme của họ. Trong những năm qua, quy mô và hiệu quả của quá trình lên men đã được dần dần im- chứng minh và tinh tế. Hai quá trình bây giờ tồn tại, cả hai đều sẽ được hưởng lợi từ engi- di truyền 49
Page 5
50. Tác động của Applied Genetics-Micro-sinh vật, thực vật, động vật và neering. Trong công nghệ lên men, sống ganisms chức phục vụ các nhà máy nhỏ, convert- ing nguyên liệu thành sản phẩm cuối cùng. Trong công nghệ enzyme, các chất xúc tác sinh học được chiết xuất từ những sinh vật sống được sử dụng để làm cho sản phẩm. Các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm lên men Các, hóa chất và các ngành công nghiệp dược phẩm là ba người sử dụng chính của quá trình lên men ngày nay. Các ngành công nghiệp thực phẩm là người đầu tiên khai thác các vi sinh vật để sản xuất đồ uống có cồn và thực phẩm lên men. Hồ sơ giữa thế kỷ 16 mô tả các phương pháp phức tạp cao của công nghệ lên men. Kỹ thuật chế biến nóng, ví dụ, dự đoán thanh trùng bằng vài thế kỷ. [n đầu thế kỷ 20, các dustry trong- hóa học đã bắt đầu sử dụng công nghệ để sản xuất dung môi hữu cơ như ethanol, và các enzym như amylase, được sử dụng vào thời điểm đó để điều trị dệt may. Sự quan tâm của ngành công nghiệp hóa chất trong quá trình lên men nổi lên như là lĩnh vực hóa sinh đã hình thành xung quanh lần lượt của thế kỷ này. Nhưng đó không phải là cho đến khi Thế chiến I là thời kỳ chiến tranh cần thiết cho các dung môi acetone-để sản xuất các Dite nhũng hữu cơ được sử dụng trong thuốc nổ tăng đáng kể nghiên cứu tiềm năng của quá trình lên men. Ba mươi năm sau khi chiến tranh thế giới 11, ngành công nghiệp maceutical phar- theo sự dẫn dắt của trong- dustry hóa chất, áp dụng quá trình lên men đến sự sản xuất của vitamin và thuốc kháng sinh mới. Ngày nay, khoảng 200 công ty ở Hoa Kỳ và hơn 500 công nghệ sử dụng trên toàn thế giới lên men để sản xuất nhiều loại sản phẩm. Hầu hết sử dụng chúng như một phần của quá trình sản xuất, thường là trong process- thực phẩm ing. Nhưng những người khác sản xuất hoặc là protein, có thể được coi là sản phẩm chính, hoặc một loạt các sản phẩm thứ cấp, trong đó các protein giúp sản. Đối với các gen có thể làm cho zymes en-, đó là các protein; và các enzyme có thể giúp làm cho rượu, methane, kháng sinh và nhiều chất khác. Protein, các sản phẩm chính, chức năng như: enzyme như asparaginase được sử dụng trong điều trị bệnh bạch cầu; qqqq thành phần cấu trúc, như collagen, được sử dụng trong cấy ghép da sau bỏng chấn thương; hormone nhất định, chẳng hạn như insulin và hormone tăng trưởng của con người; chất trong hệ thống miễn dịch, chẳng hạn như kháng thể và interferon; và các thành phần chức năng chuyên biệt, chẳng hạn như hemoglobin. Công nghệ lên men rất hữu ích cho việc cung protein ducing một phần vì đây là những sản phẩm trực tiếp của gen. Nhưng các protein (như en- zymes) cũng có thể được sử dụng trong hàng ngàn Addi- chuyển đổi quốc để sản xuất thực tế bất kỳ hóa chất hữu cơ và nhiều những người vô cơ cũng như: (Xem hình 16) Hình 16. Sơ đồ Sản phẩm có sẵn từ các tế bào phân lập B Nguyên liệu sản phẩm In (A) DNA chỉ đạo việc hình thành một protein, chẳng hạn như Sulin trong-, mà là bản thân các sản phẩm mong muốn. In (B), DNA chỉ đạo sự hình thành của một enzyme đó, lần lượt, chuyển đổi một số nguyên liệu, chẳng hạn như đường, với một sản phẩm, chẳng hạn như ethanol. Nguồn: Phòng công nghệ đánh giá.
Page 6
Ch. 3-Kỹ thuật di truyền và các quá trình lên men Technologies. 51 carbohydrate, như ers fructose sweeten-; lipid, như vitamin A, E, và K; rượu, như ethanol; hợp chất hữu cơ khác như acetone; và các hóa chất vô cơ, chẳng hạn như amoniac, để sử dụng trong phân bón. Quá trình lên men không phải là cách duy nhất để manufac ture hoặc cô lập các sản phẩm này. Một số phong tục tập quán được tionally sản xuất bằng phương pháp khác. Nếu một sự thay đổi từ một quá trình khác là để xảy ra, cả hai áp lực kinh tế và xã hội sẽ giúp tôi ngăn chặn, liệu một cách tiếp cận sáng tạo sẽ được sử dụng để sản xuất một sản phẩm cụ thể. Alan Bull đã xác định bốn kích thích cho sự thay đổi và canh tân trong-: 1 1. phong phú của một nguyên liệu tiềm năng hữu ích; 2. khan hiếm của một sản phẩm được thiết lập; 3. Phát hiện của một sản phẩm mới; và 4. vấn đề môi trường. Và điều kiện ngày nay hiện đã thêm một gói kích thích thứ năm: 5. tình trạng khan hiếm nguyên liệu hiện đang được sử dụng. Mỗi nhân tố có xu hướng đẩy mạnh ứng dụng của quá trình lên men. 1. Sự phong phú của một khả năng hữu dụng liệu ma- terial.-Việc sử dụng một nguyên liệu có thể là động lực trong việc phát triển một quá trình. Khi các hydrocacbon mạch thẳng (kanes n-al-) được sản xuất trên quy mô lớn như các sản phẩm phụ nhà máy lọc dầu, quá trình tion fermenta- được phát triển để chuyển đổi chúng sang các protein đơn bào để sử dụng trong thức ăn chăn nuôi ani- mal. 2. Sự khan hiếm của một lập product.-Tiềm năng mới tìm thấy để sản xuất kích thích tố con người thông qua quá trình lên men technol- ogy là một động lực lớn cho ngành công nghiệp to- ngày. Tương tự như vậy, nhiều hợp chất hữu cơ một lần thu được bằng cách khác axit citric quy trình giống, được chiết xuất trực tiếp '/ . 'TÔI". lhJll, 11. [:. FllWrCM) Ci, và (: Rat gờ, kficrobia / Techndo, gv:. (~ Urrent Sfafe, triển vọng tương lai, Z $ lth Symposium ot 'Hội (kllf> l'IIL hlicrut) Iub ~ y al 1 llll) f ~ rsitv UF (: iilllt) l'ITL ~ f ~, tháng 4 năm 1979 ((: illllt) l'IDG (', l'; ll ~ lillld: (KMT) sườn núi [~ l; ilwrsit} ~ Press, 1 979) , pp. 4-8. 3. 4. 5. từ cam quýt trái cây đang được thực hiện bởi việc triển fer-. Như một kết quả của công nghệ hiệu quả hơn, các sản phẩm từ vitamin B12 với steroid đã đi vào sử dụng rộng rãi hơn. Discovery của một sản phẩm mới -The. phát hiện ra rằng loại thuốc kháng sinh được sản xuất bởi các vi sinh vật gây ra tìm kiếm cho một nhóm hoàn toàn mới của sản phẩm. Vài ngàn kháng sinh đã được phát hiện cho đến nay, trong đó có hơn một trăm đã được chứng minh là hữu ích trên lâm sàng. mối quan tâm về môi trường. -Các vấn đề của xử lý nước thải và nhu cầu nguồn năng lượng mới đã gây ra một cuộc tìm kiếm các phương pháp để chuyển đổi lý nước thải và chất thải pal munici- khí mê-tan, một thành tố quan yếu của khí thiên nhiên. Bởi vì Mecha- vi chức đóng một vai trò quan trọng trong cy tự nhiên - bám của các hợp chất hữu cơ, quá trình lên men đã là một phương pháp được sử dụng cho các sion hoán cải. Sự khan hiếm của một materi- liệu hiện đang sử dụng một /.- Bởi vì nguồn cung cấp nhiên liệu hóa thạch của trái đất đang bị thu hẹp nhanh chóng, có quan tâm đặc biệt trong việc tìm kiếm các phương pháp để chuyển đổi các nguyên liệu khác để tiếp nhiên liệu. Quá trình lên men cung cấp một cách tiếp cận chính để những quyết hoán cải như vậy. Công nghệ lên men có thể có hiệu quả trong mỗi tình huống này vì tính linh hoạt đứng dùng ngoài trời và đơn giản tương đối. Các quá trình lên men là cal về cơ bản nhận diện, không có vấn đề gì sinh vật được chọn, những gì vừa được sử dụng, hoặc những gì sản phẩm được hình thành. Bộ máy tương tự, với những thay đổi nhỏ, có thể được sử dụng để sản xuất ra một loại thuốc, một UCT phẩm nông nghiệp, hóa chất, hoặc một chất bổ sung thức ăn gia súc. Lên men sử dụng toàn bộ các tế bào sống Nguyên, quá trình lên men được sử dụng một số hình thức nguyên thủy nhất của đời sống thực vật như tế bào Đảng Bảo thủ tố. Vi khuẩn được sử dụng để làm sữa chua và thuốc kháng sinh, nấm men để lên men rượu vang, và nấm sợi hoặc khuôn để sản xuất acid hữu cơ. Gần đây, công nghệ lên men đã bắt đầu sử dụng các tế bào có nguồn gốc từ thực vật và động vật bậc cao