Moleculele în biotehnologii

Biotehnologia folosește organisme, celule sau molecule biologice pentru a obține un produs ori un proces util. Un exemplu vechi este prepararea alimentelor prin fermentație. În biotehnologiile moderne, oamenii pot folosi și molecule izolate sau produse de celule crescute în condiții controlate. Important este să înțelegi ce face molecula, nu doar să memorezi numele tehnologiei.

Enzimele sunt proteine care accelerează reacții. În industria alimentară, enzimele pot ajuta la transformarea unor componente ale laptelui sau ale altor ingrediente. De exemplu, o enzimă poate descompune un anumit zahăr în molecule mai mici. Ea nu „creează” hrană din nimic, ci schimbă substanțele deja prezente. Condițiile de lucru, precum temperatura și aciditatea, influențează activitatea enzimei.

În domeniul farmaceutic, unii hormoni pot fi produși cu ajutorul celulelor cultivate. Insulina umană este un exemplu: prin tehnologia ADN-ului recombinant, celulele pot primi instrucțiunile necesare pentru a produce proteina. Produsul trebuie apoi purificat și verificat. Acest exemplu nu înseamnă că toate medicamentele sunt făcute la fel sau că folosirea unei molecule biologice o face automat sigură. Calitatea, doza și testarea contează. Când descrii o biotehnologie, urmărește trei pași: ce material biologic se folosește, ce transformare are loc și cum se verifică produsul.

Enzimele în biotehnologiile alimentare. Enzimele industriale se obțin din bacterii, drojdii sau mucegaiuri cultivate în fermentatoare. Se folosesc în cantități mici, fiindcă nu se consumă în reacție, și pot fi imobilizate pe un suport (de exemplu, în bile de alginat), ca să fie recuperate și reutilizate. Chimozina (cheagul) se extrăgea inițial din stomacul vițeilor; astăzi se produce în microorganisme prin tehnologia ADN-ului recombinant.

Hormonii în biotehnologiile farmaceutice. Până în 1982 insulina pentru diabet se extrăgea din pancreasul de porc și de bovine; cea de porc diferă de insulina umană printr-un singur aminoacid, în poziția B30. În 1982 a fost aprobată prima insulină umană obținută prin ADN recombinant. Principiul se aplică și altor hormoni: somatotropina (hormonul de creștere) pentru copiii cu nanism hipofizar, care înainte se extrăgea din hipofize umane, și eritropoietina pentru anemia din insuficiența renală. Eritropoietina este o glicoproteină, deci se produce în celule de mamifer cultivate, nu în bacterii, care nu adaugă glucidele necesare.

Etapele obținerii insulinei recombinante:

1. Se izolează sau se sintetizează gena insulinei umane.
2. Plasmida bacteriană se taie cu o enzimă de restricție, gena se inserează și se lipește cu ligaza.
3. Plasmida recombinantă se introduce în bacteria Escherichia coli sau în drojdia Saccharomyces cerevisiae.
4. Celulele transformate se selectează după o genă marcator, de exemplu rezistența la un antibiotic.
5. Celulele se cultivă în bioreactor, unde sintetizează proteina.
6. Insulina se separă și se purifică, apoi se verifică identitatea, puritatea, sterilitatea și activitatea biologică.

Exemplu rezolvat 1: laptele fără lactoză. Un litru de lapte conține $48$ g de lactoză. Cât zahăr simplu rezultă dacă toată lactoza este hidrolizată de lactază?

1. Reacția este ${\mathrm{C}}_{12}{\mathrm{H}}_{22}{\mathrm{O}}_{11}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6$; masele molare sunt $342,3$ g/mol pentru lactoză și $360,3$ g/mol pentru cele două hexoze împreună.
2. Masa monozaharidelor este $48\cdot \frac{360,3}{342,3}\approx 50,5$ g, deoarece se adaugă apa consumată în hidroliză.
3. Rezultă $25,3$ g de glucoză și $25,3$ g de galactoză, ambele mai dulci decât lactoza, deci laptele devine ușor mai dulce, deși nu s-a adăugat zahăr.

Exemplu rezolvat 2: temperatura de lucru a unei enzime. O pectinază de sucuri a avut la pH $4$ următoarea activitate relativă:

1. Temperatura optimă este $50{}^{\circ }\mathrm{C}$, unde activitatea este maximă.
2. Scăderea de la $60{}^{\circ }\mathrm{C}$ și anularea la $70{}^{\circ }\mathrm{C}$ arată denaturarea proteinei: se pierde structura centrului activ.
3. Pentru limpezire se alege o temperatură puțin sub optim, de exemplu $45{}^{\circ }\mathrm{C}$, ca enzima să nu se denatureze treptat în timpul procesului.
4. La final, sucul se încălzește peste $70{}^{\circ }\mathrm{C}$ (pasteurizare), ceea ce oprește definitiv activitatea enzimei.

Greșeli frecvente

• Greșit: O enzimă poate transforma orice substanță în orice produs.
  Corect: Enzimele au specificitate pentru anumite reacții și substraturi.
• Greșit: Dacă insulina este produsă de celule, nu mai trebuie verificată.
  Corect: Produsul se purifică și se controlează riguros.
• Greșit: Insulina recombinantă este o insulină „artificială”, diferită de cea umană.
  Corect: Are aceeași secvență de aminoacizi ca insulina umană; doar sursa este microorganismul.
• Greșit: Orice proteină umană poate fi produsă corect în bacterii.
  Corect: Proteinele cu glucide atașate, ca eritropoietina, se produc în celule de mamifer.

Înainte și după