תהליכים ביולוגיים: מאפיינים, סוגים, יתרונות ושלבים - ביולוגיה - 2025

מעבד ביולוגי הוא מתודולוגיה ספציפית המשתמשת בתאים חיים, או גם במרכיבים אחרים בהם (אנזימים, אברונים, בין השאר), כדי להשיג השגת מוצר רצוי לתעשייה או לתועלת האדם. התהליך הביולוגי מאפשר להשיג מוצרים ידועים כבר, בתנאים סביבתיים מיטביים, באיכות גבוהה יותר מהדרך המסורתית לייצורם.

באותה דרך, תהליכי ביו מאפשרים להשיג אורגניזמים מהונדסים גנטית שניתן להשתמש בהם על מנת לשפר את היעילות של תהליכים ספציפיים (אנזימים או חלבונים שישמשו לטיפולים רפואיים, כמו אינסולין) או לצרוך ישירות על ידי האדם. בן אנוש.

מקור: pixabay.com

חברה וטכנולוגיה יכולים להשתמש בתהליכי ביו בתחומים שונים כדי להוביל לטכניקות טובות וחדשות יותר. זה מיושם על תחומים שונים כמו ייצור מזון, גורם לשיפורים באלה, יצירת תרופות, שליטה בזיהום מסוגים שונים ובקרת התחממות כדור הארץ.

נכון לעכשיו, התהליכים הביולוגיים השונים בתעשייה השפיעו לטובה והושקעו מיליוני דולרים בהשקעות כדי לקדם את צמיחתם.

מאפיינים

במדעי הביוטכנולוגיה, תהליך ביולוגי הוא תהליך שמשתמש באיזה יישות ביולוגית מסוימת המייצרת כמוצר חומר מסוים בעל ערך מוסף מסוים.

כלומר, השימוש בתא, מיקרואורגניזם או חלק מהתאים מייצר מוצר הרצוי על ידי החוקר, וייתכן שיש לו יישומים באזור מסוים.

בנוסף, קיימת הנדסת עיבוד ביולוגי, המבקשת לתכנן ולפתח ציוד לייצור מגוון רחב של מוצרים, הקשורים לחקלאות, ייצור מזון ורפואה, יצירת חומרים כימיים, בין השאר, החל מחומרים ביולוגיים.

בזכות קיומה של הנדסת תהליכי ביו, ביוטכנולוגיה יכולה לתרגם ליתרונות עבור החברה.

יעדים של תהליכים ביולוגיים

ביולוגים ומהנדסים שמשתתפים בפיתוח תהליכי ביו מבקשים לקדם את יישום טכנולוגיה זו, מכיוון שהיא מאפשרת:

ניתן לייצר באמצעות מעבדים ביולוגיים כימיקלים בעלי ערך משמעותי. עם זאת, הכמויות המיוצרים בדרך כלל מעט קטנים.

מעבדי ביו מאפשרים סינתזה או שינוי של מוצרים שכבר הושגו בדרך המסורתית תוך שימוש בפעילות של מיקרואורגניזמים מבודדים בעבר. אלה יכולות להיות חומצות אמינו או חומרים אורגניים אחרים, מזון, בין היתר.

טרנספורמציה של חומרים בכמויות ניכרות, כמו אלכוהולים. נהלים אלה כוללים לעתים קרובות חומרים בעלי ערך מועט.

באמצעות השימוש באורגניזמים או בחלקים כאלה, ניתן להשפיל שאריות ופסולת רעילה כדי להפוך אותם לחומרים שניתן למחזר אותם בקלות. תהליכים אלה רלוונטיים גם בתעשיית הכרייה, עם ריכוז המתכות וניצול מוקשים בתולים.

יתרונות וחסרונות ביישום של תהליכים ביולוגיים

-יתרון

קיומן של תהליכים ביולוגיים מספק שורה של יתרונות בולטים, כולל חיסכון באנרגיה לעיבוד חומרים, כדלקמן:

תנאים ידידותיים לעובדים

מרבית התהליכים הביולוגיים משתמשים באנזימים שהם זרזי חלבון בטבע. אלה פועלים בטמפרטורה, ברמת החומציות והלחץ הדומה לאלה שאורגניזמים חיים מתנגדים להם, מסיבה זו התהליכים מתרחשים בתנאים "ידידותיים".

לעומת זאת, עם הטמפרטורות והלחצים הקיצוניים שבהם עובדים הזרזים הכימיים המשמשים בתהליכים מסורתיים. בנוסף לחיסכון באנרגיה, עבודה בתנאים ידידותיים לבני אדם הופכת את ההליך לבטוח ומקלה על התהליך.

תוצאה נוספת של עובדה זו היא צמצום ההשפעה הסביבתית, מכיוון שתוצרי התגובות האנזימטיות אינן פסולת רעילה. בניגוד לבזבוז המיוצר על ידי מתודולוגיות סטנדרטיות.

מתחמי ייצור קטנים יותר, פשוטים וגמישים למדי, כך שאין צורך בהשקעה הונית גדולה.

חסרונות

למרות שלעבודות ביו יתרונות רבים, ישנם עדיין נקודות תורפה במתודולוגיות המיושמות, כגון:

נְגִיעוּת

אחד החשובים שבהם הוא תוצאה מהותית של עבודה עם מערכות ביולוגיות: רגישות לזיהום. מסיבה זו, יש לעבוד עליו בתנאים אספטיים מבוקרים מאוד.

במקרה בו הגידולים יתמזגו, המיקרואורגניזמים, הזרזים או התוצרים המתקבלים עלולים להיהרס או לאבד את הפונקציונליות שלהם, ולגרום לאובדן ניכר לתעשייה.

לייצר יבולים בקנה מידה גדול

בעיה נוספת קשורה למניפולציה של אורגניזמי עבודה. באופן כללי, מעבדות גנטיקה ומדעי ביולוגיה מולקולריות עובדות עם מיקרואורגניזמים בקנה מידה קטן, כאשר התרבות שלהם והתפתחות מיטבית שלהם קלות יותר.

עם זאת, חילוץ התהליך לגידול המוני של מיקרואורגניזמים מהווה שורה של מכשולים.

מבחינה מתודולוגית, הייצור בקנה מידה גדול של מיקרואורגניזמים מסובך ואם זה לא נעשה בצורה הנכונה, זה יכול להוביל לחוסר יציבות גנטית של המערכת ולהטרוגניות של אורגניזמים צומחים.

היצרנים מבקשים גידול הומוגני על מנת למקסם את ייצור החומר המדובר. עם זאת, שליטת השונות שאנו מוצאים בכל המערכות הביולוגיות היא בעיה בהיקף גדול.

לסיכום, ייצור מיקרואורגניזמים לשימוש תעשייתי אינו רק כדי להגדיל את הייצור המתבצע במעבדה, מכיוון ששינוי סולם זה כרוך בשורה של חסרונות.

סוגים

השימוש במיקרואורגניזמים או בישויות ביולוגיות אחרות לייצור חומרים המעניינים את בני האדם מגוון מאוד. בייצור, ניתן לבודד תרכובות פסולת מהמיקרואורגניזם שיש לטהר ולהשתמש בהן.

באופן דומה ניתן לשנות את האורגניזם על ידי יישום כלים להנדסה גנטית לייצור ישיר. מתודולוגיה זו פותחת מגוון אפשרויות של המוצרים שניתן להשיג.

במקרים אחרים, זה יכול להיות האורגניזם המהונדס גנטית (ולא מה שניתן לייצר איתו) שמעניין אותו.

שלבים של תהליך ביולוגי

מכיוון שהמונח "מעבד ביולוגי" מקיף סדרת טכניקות הטרוגניות ומגוונות מאוד, קשה להקיף את שלביו.

שלב לייצור אינסולין

אם אתה עובד עם אורגניזמים שהשתנו במעבדה, השלב הראשון הוא שינוי. על מנת לתאר מתודולוגיה ספציפית, נתאר ייצור של DNA רקומביננטי טיפוסי של מוצר כמו אינסולין, הורמון גדילה או כל מוצר נפוץ אחר.

מניפולציה גנטית

כדי להביא את המוצר לשוק, יש לבצע מניפולציה גנטית של האורגניזם המארח. במקרה זה, האורגניזם הוא בדרך כלל קולי Escherichia ו- DNA המשובט יהיה DNA מהחי. בהקשר זה, DNA "משובט" לא אומר שאנחנו רוצים לשבט אורגניזם שלם, זה פשוט שבר הגן המעניין.

אם אנו רוצים לייצר אינסולין, עלינו לזהות את קטע ה- DNA שיש לו את המידע הדרוש לייצור חלבון כאמור.

לאחר הזיהוי נחתך קטע העניין ומוחדר לחיידק E. coli. כלומר, החיידק משמש כמפעל לייצור קטן, והחוקר נותן לו את "ההוראות" על ידי הכנסת הגן.

זהו שלב ההנדסה הגנטית, המתבצע בקנה מידה קטן ועל ידי ביולוג מולקולרי או ביוכימאי מומחה. בשלב זה נדרש ציוד מעבדה בסיסי, כגון מיקרופיפטות, מיקרוצנטריפוגות, אנזימי הגבלה, וציוד לייצור ג'לים אלקטרופורזה.

כדי להבין את התהליך הביולוגי, אין זו דרישה להבין את כל הפרטים שמשתלבת בשיבוט, הדבר החשוב הוא להבין שרמות הביטוי של המוצר הרצוי חייבות להיות מיטביות וגם יציבות המוצר חייבת להיות מספקת.

כמת

לאחר תהליך השיבוט, השלב הבא הוא מדידת הצמיחה והתכונות של התאים הרקומביננטיים מהשלב הקודם. לשם כך עליכם להיות בעלי מיומנויות במיקרוביולוגיה וקינטיקה.

יש לקחת בחשבון כי כל המשתנים הסביבתיים כמו טמפרטורה, הרכב המדיום ו- pH הם מיטביים, בכדי להבטיח ייצור מקסימלי. בשלב זה, מכמתים כמה פרמטרים כמו קצב צמיחת תאים, תפוקה ספציפית והמוצר.

עלייה בהיקף

לאחר התקנת המתודולוגיה לייצור החומר הרצוי, גדל סולם הייצור, ומכינים 1 או 2 ליטר מהתרבות בביו-רקטור.

בכך חייבים לשמור על תנאי הטמפרטורה וה- pH. יש להקדיש תשומת לב מיוחדת לריכוז החמצן הנדרש על ידי התרבות.

בהמשך, החוקרים מגדילים יותר ויותר את היקף הייצור ומגיעים עד 1,000 ליטר (הכמות תלויה גם במוצר הרצוי).

-שלבי תסיסה

כפי שציינו, תהליכי ביו הם רחבים מאוד ולא כולם כרוכים בשלבים המתוארים בסעיף הקודם. למשל, תסיסה בבטון והדוגמא הקלאסית של תהליך ביולוגי. במיקרואורגניזמים זה משתמשים כמו פטריות וחיידקים.

המיקרואורגניזמים גדלים במדיום עם פחמימות שישמשו לצמיחתם. באופן זה, מוצר הפסולת שהם מייצרים הם אלה שיש להם ערך תעשייתי. בין אלה יש לנו אלכוהול, חומצה לקטית, בין היתר.

ברגע שהחומר המעניין מייצר על ידי המיקרואורגניזם, הוא מרוכז ומטהר. מזונות אינסופיים (לחם, יוגורט) ומשקאות (בירות, יין, בין השאר) בעלי ערך לצריכה אנושית מיוצרים באמצעות תהליך ביולוגי זה.

הפניות

1. Cragnolini, A. (1987). סוגיות מדיניות מדעיות וטכנולוגיות: חומרים והפעלות בסמינר השני של חורחה סבאטו איברו-אמריקני בנושא מדיניות מדעית וטכנולוגית, מדריד, 2-6 ביוני 1986. עיתונות CSIC-CSIC.
2. דוק, ג'יי.פי (2010). ביוטכנולוגיה נטביבלו.
3. דורן, ראש הממשלה (1995). עקרונות הנדסת ביו-פרוצס. אלזביאר.
4. מועצת המחקר הארצית. (1992). העמדת ביוטכנולוגיה לעבודה: הנדסת תהליכי ביו. הוצאת האקדמיות הלאומיות.
5. Najafpour, G. (2015). הנדסה ביוכימית וביוטכנולוגיה. אלזביאר.