Applicazione della tecnologia di ingegneria enzimatica nella biofarmaceutica

Risposta rapida: Per quanto riguarda enzimi, lieviti, chitosano e ingredienti alimentari, gli acquirenti solitamente confrontano l'attività o la funzionalità con la stabilità, le condizioni di applicazione e l'impatto sulla qualità a valle.

L'ingegneria enzimatica è una scienza che utilizza enzimi, organelli o cellule contenenti enzimi (microrganismi, animali, piante) in determinati dispositivi di reazione, utilizza la funzione biocatalitica degli enzimi, trasforma le materie prime corrispondenti in sostanze utili con l'aiuto di mezzi ingegneristici e le utilizza nella vita sociale. Comprende la preparazione dell'enzima, il trattamento dell'enzima, la modifica e la trasformazione dell'enzima e il reattore enzimatico. La sua applicazione si concentra principalmente nell'industria farmaceutica, nell'industria alimentare e nell'industria leggera.

1. Tecnologia di immobilizzazione degli enzimi e sua applicazione
Incorporando l'enzima nel gel, nelle microcapsule, o attraverso legami covalenti, adsorbimento di legami ionici collegati al supporto in fase solida, o attraverso l'agente reticolante per rendere le molecole di enzima reticolate tra loro e altri metodi per rendere l'enzima insolubile confinato in uno spazio limitato del processo tecnico. Questa tecnica consente di utilizzare l'enzima ripetutamente in reazioni batch, in modo continuo in reazioni sequenziali o di separare facilmente l'enzima dal prodotto. I metodi di immobilizzazione comprendono metodi di base come l'adsorbimento, il legame covalente, l'incorporazione, la microincapsulazione e la reticolazione, nonché nuove tecniche di immobilizzazione come i cristalli di enzimi reticolati, gli aggregati di enzimi reticolati, l'incorporazione in matrice di silice e l'incorporazione di lipidi [1]. Il metodo dell'embedding è più comunemente utilizzato in campo farmaceutico, seguito dal metodo dell'adsorbimento. Una varietà di enzimi immobilizzati è stata utilizzata per la produzione industriale su larga scala, come ad esempio: aminoacilasi, penicillina acilasi, aspartoacilasi, aspartato-β-decarbossilasi.

2.Modifica chimica degli enzimi
La modifica chimica dell'enzima si riferisce alla catena principale della molecola proteica dell'enzima mediante "taglio", "tranciatura" e modifica chimica.

 

La modificazione chimica si riferisce al processo di "taglio" e "tranciatura" della catena principale della molecola proteica dell'enzima e alla sua modificazione chimica, che è un processo tecnico di combinazione di determinate sostanze o gruppi chimici alla molecola dell'enzima con mezzi chimici per cambiare le proprietà catalitiche e le funzioni dell'enzima. Attraverso la modifica chimica dell'enzima, è possibile migliorarne l'attività, aumentarne la stabilità, eliminare o ridurre l'antigenicità dell'enzima e così via.

 

3. Catalisi degli enzimi in fase non acquosa ed evoluzione direzionale degli enzimi

Il processo tecnico della reazione catalitica enzimatica in mezzo non acquoso (mezzo solvente organico, mezzo gassoso, mezzo fluido supercritico, mezzo liquido ionico, ecc.) è chiamato catalisi enzimatica in fase non acquosa [5]. La catalisi enzimatica in mezzi non acquosi ha le notevoli caratteristiche di aumentare la solubilità di substrati o prodotti non polari, di realizzare reazioni sintetiche che non possono essere effettuate in soluzione acquosa, di ridurre l'inibizione di feedback dei prodotti all'enzima e di migliorare la selettività del substrato, la selettività del gruppo, la regioselettività e l'enantioselettività delle reazioni asimmetriche di composti chirali. L'evoluzione diretta della tecnologia enzimatica [5] è una simulazione del processo evolutivo naturale (mutazione casuale naturale e selezione naturale, ecc.), la mutazione casuale artificiale dei geni in vitro, la creazione di librerie di geni mutanti, attraverso l'ambiente speciale di condizioni controllate artificialmente, la selezione diretta per ottenere l'enzima con eccellenti proprietà catalitiche del processo tecnologico mutante.

 

4. Produzione e applicazione di preparati enzimatici

4.1 Produzione di enzimi

4.1.1 Enzima nucleasi e anticorpi

L'enzima dell'acido ribonucleico è una classe di enzimi composti da acido ribonucleico (RNA), con un alto grado di specificità della sequenza dell'acido nucleico dalla

e ha un forte valore applicativo. Finché si conosce la sequenza nucleotidica di un determinato enzima dell'acido nucleico, è possibile progettare e sintetizzare la composizione dell'acido nucleico che ne catalizza l'auto-cleavaggio e la rottura e, sulla base dell'intera sequenza di questi genomi, è possibile progettare e sintetizzare la prevenzione e il trattamento di . Nucleotidi per le malattie virali umane, animali e vegetali causate da questi virus, come la capacità di combattere l'influenza, l'epatite, l'AIDS e la malattia del mosaico del tabacco. Le nucleasi possono anche essere utilizzate come strumenti per studiare la mappatura degli acidi nucleici e l'espressione genica [4]. Gli enzimi anticorpali, noti anche come anticorpi catalitici, sono una classe di molecole anticorpali con funzioni biocatalitiche che possono essere ottenute con metodi di induzione e modifica. Gli enzimi anticorpali sono stati utilizzati nello studio del meccanismo d'azione degli enzimi, nella sintesi e disassemblaggio di farmaci chirali, nella preparazione di farmaci antitumorali, ecc.

4.1.2 Farmaci marcati con un enzima

Recentemente, è diventato possibile progettare farmaci basati sui loro possibili bersagli d'azione nell'organismo (ad esempio, enzimi o recettori), e i farmaci risultanti sono chiamati farmaci marcati con un enzima. Questo approccio progettuale è oggi conosciuto come il mainstream del drug design e svolge un ruolo importante nella progettazione di nuovi farmaci. Gli inibitori dell'enzima di conversione dell'angiotensina peptidica (ACE) sono un esempio di successo di farmaci marcati con un enzima e gli ACE inibitori sono diventati farmaci antipertensivi importanti e comunemente utilizzati. Studi recenti hanno scoperto che l'infezione e la trasmissione dell'HIV sono causate principalmente dalle proteasi presenti sulla superficie delle particelle di HIV. Pertanto, lo studio della proteasi dell'HIV è diventato un punto caldo e si spera che lo studio degli inibitori della proteasi dell'HIV porti alla ricerca di modi per prevenire l'infezione da HIV e trattare l'AIDS.

4.2 Applicazione della tecnologia di ingegneria enzimatica nel processo farmaceutico

La tecnologia dell'ingegneria enzimatica nella produzione di piccoli investimenti, semplicità del processo, basso consumo energetico, alta resa del prodotto, alta efficienza, alto rendimento e basso inquinamento e altri vantaggi, è diventata la forza principale nell'applicazione delle industrie chimiche e farmaceutiche. In passato, la sintesi chimica, la fermentazione microbica e l'estrazione di materiali biologici e altre tecnologie tradizionali per produrre farmaci, possono essere prodotte dalla moderna ingegneria enzimatica. È possibile ottenere anche farmaci costosi, impossibili da ottenere con la tecnologia tradizionale, come l'insulina umana, il 6-APA e il 7-ADCA. I batteri geneticamente ingegnerizzati, le cellule ingegnerizzate e la sapiente combinazione di tecnologia di immobilizzazione e bioreattore continuo porteranno a cambiamenti fondamentali nell'intera industria della fermentazione e della sintesi chimica.

4.2.1 Applicazione dell'ingegneria enzimatica per la preparazione di metaboliti biologici

L'applicazione di cellule immobilizzate può produrre una varietà di metaboliti primari o intermedi in grandi quantità, come zucchero, acidi organici e aminoacidi. I prodotti sono il D-fruttosio, il glicerolo, il 1,6-difosfato di fruttosio, l'acido citrico, l'acido malico, l'alanina, l'acido aspartico, la fenilalanina, il triptofano, la lisina e così via.

4.2.2 Applicazione dell'ingegneria enzimatica per la produzione di antibiotici e vitamine

L'applicazione dell'ingegneria enzimatica consente di preparare cefalosporina Ⅳ (cefalosporina acilasi), 7-ADCA (penicillina V acilasi), cefalosporina deacetilica (cefalosporina acetato liasi). Negli ultimi anni è stata anche immobilizzata la produzione di Penicillium flavum (sistema di penicillina sintetasi), la produzione cellulare di penicillina, la sintesi di precursori di penicillina e cefalosporina, il processo più recente è utilizzato anche nell'ingegneria enzimatica.

4.2.3 Applicazione dell'ingegneria enzimatica alla produzione di aminoacidi e acidi organici

Produzione di DL-amminoacidi (aminoacilasi), L-lisina (deidrossilasi dell'acido diamino-eptanoico o α-amino-ε-caprolattame idrolasi ed enzima di racemizzazione), acido urico anidride (enzima di aminolisi della L-istidina), L-tirosina e L-dopa (β-tirosinasi) e altri acidi organici.

4.2.4 Applicazione dell'ingegneria enzimatica per la produzione di farmaci nucleotidici

I nucleotidi di adenina (AMP) sono prodotti dall'acido nucleico estratto dalla proteina Pseudomonas aeruginosa con acqua calda e poi idrolizzato dalla nucleasi. I desossiribonucleotidi sono prodotti estraendo l'acido desossiribonucleico (RNA) dal bianco di pesce, seguito da idrolisi enzimatica mediante 5′-fosfodiesterasi. Le piante e gli animali esistenti ricchi di acido nucleico (polline, ecc.) estraggono l'acido ribonucleico (RNA), quindi l'enzima 5′-fosfodiesterasi lo digerisce in glicoside fosforilico (AMP), citidina fosforilica (CMP), uridina fosforilica (UMP) e uridina fosforilica (GMP) per produrre una miscela di nucleotidi. L'acido inosinico è stato prodotto dall'aciloside deaminasi, mentre l'ATP e l'AMP sono stati prodotti rispettivamente dalla carbamoilfosfato chinasi, dalla chinasi e dall'acetato chinasi.

5.Prospettive della tecnologia di ingegneria enzimatica per i prodotti farmaceutici

Come parte importante della bioingegneria, l'ingegneria degli enzimi è stata riconosciuta a livello mondiale per il suo ruolo importante e per i significativi risultati della ricerca. Dare pieno spazio alla funzione catalitica dell'enzima, ampliare il campo di applicazione dell'enzima e migliorarne l'efficienza applicativa è l'obiettivo principale della ricerca applicativa dell'ingegneria enzimatica. Il tema dello sviluppo dell'ingegneria enzimatica del XXI secolo è: ricerca e sviluppo di nuovi enzimi, produzione ottimale di enzimi e loro applicazione ad alta efficienza. Oltre alle tecnologie comunemente utilizzate, per la ricerca e lo sviluppo di nuovi enzimi dovremmo sfruttare anche le più recenti conoscenze della genetica e della proteomica, del riarrangiamento del DNA e delle cellule, della tecnologia di visualizzazione della superficie dei fagi; i nuovi enzimi più impressionanti sono gli enzimi degli acidi nucleici, gli enzimi degli anticorpi, la telomerasi e così via. L'immobilizzazione, la modifica molecolare e la catalisi in fase non acquosa devono essere utilizzate per realizzare un'applicazione efficiente degli enzimi e la tecnologia di polimerizzazione deve essere ampiamente applicata a biochip, biosensori, bioreattori, diagnostica clinica, progettazione di farmaci, cromatografia di affinità e studio della struttura e della funzione delle proteine, in modo da consentire alla tecnologia degli enzimi di svolgere un ruolo maggiore nel settore farmaceutico.

 

How buyers usually evaluate enzyme and food-processing ingredients

Nei progetti relativi agli enzimi e alla trasformazione alimentare, il quadro decisionale più utile è solitamente quello che considera l'idoneità all'applicazione e la stabilità del processo: quale ingrediente si comporta bene nelle condizioni di pH, temperatura, tempo e substrato previste, senza creare problemi di qualità o conformità a valle del processo.

• Definisci innanzitutto la destinazione dell'elaborazione: Le applicazioni relative ad aroma, idrolisi, consistenza, fermentazione, pulizia e bioprocessi spesso richiedono profili di attività molto diversi.
• Verifica la finestra operativa effettiva: Il pH, la temperatura, il tempo di permanenza e il tipo di substrato spesso contano più di quanto affermato nel titolo del prodotto.
• Verificare la coerenza e l'impatto a valle: Il dosaggio, l'influenza sensoriale, la filtrazione e la durata di conservazione possono tutti influire sul valore commerciale finale.
• Utilizzare la validazione pilota: I test di produzione su piccola scala solitamente rivelano le differenze più utili in termini di attività, efficienza e adeguatezza del processo.

Riferimenti prodotto consigliati

• Lipasi Longzyme: Un riferimento diretto al prodotto per discussioni relative alla lipasi in ambito alimentare, di pulizia o di bioprocessi.
• Longzyme Beta-Amilasi: Un pratico riferimento enzimatico da consultare quando si esaminano la conversione dell'amido e l'attività di trasformazione alimentare.
• Glucoamilasi composta da Longzyme: Un utile riferimento enzimatico quando le prestazioni della saccarificazione o di processi correlati sono rilevanti.
• Estratto di lievito: Un pratico riferimento agli ingredienti per applicazioni che coinvolgono aromi, fermentazione o supporto nutrizionale.

FAQ per acquirenti e formulatori

Perché un enzima ad alta attività non è automaticamente la scelta migliore dal punto di vista commerciale?
Perché l'enzima migliore è quello che funziona in modo affidabile nelle effettive condizioni di processo e fornisce il risultato desiderato a valle senza creare nuovi problemi.

Gli ingredienti alimentari e biotecnologici dovrebbero essere selezionati basandosi esclusivamente sulle schede tecniche?
In genere è più sicuro abbinare la revisione delle specifiche a un test pilota o applicativo, poiché i substrati reali e le finestre di processo possono modificare notevolmente il risultato.

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Composto Glucoamilasi	9032-08-0
Pullulanase	9075-68-7
Xilanasi	37278-89-0
Cellulasi	9012-54-8
Naringinasi	9068-31-9
β-amilasi	9000-91-3
Glucosio ossidasi	9001-37-0
alfa-amilasi	9000-90-2
Pectinasi	9032-75-1
Perossidasi	9003-99-0
Lipasi	9001-62-1
Catalasi	9001-05-2
TANNASIO	9025-71-2
Elastasi	39445-21-1
Ureasi	9002-13-5
DEXTRANASE	9025-70-1
L-lattico deidrogenasi	9001-60-9
Deidrogenasi malato	9001-64-3
Colesterolo ossidasi	9028-76-6