الهندسة الجزيئية الحيوية هي تطبيق المبادئ الهندسية والممارسات للتلاعب الهادف بالجزيئات ذات الأصل البيولوجي. يدمج مهندسوالجزيئات الحيوية فهم العمليات البيولوجية مع الفهم الأساسية بالهندسة الكيميائية من أجل الهجريز على الحلول في المستوى الجزيئي للقضايا والمشاكل في علوم الحياة المتعلقة بالبيئة والزراعة والطاقة والصناعة وإنتاج الأغذية والتكنولوجيا الحيوية والطب.

يعالج مهندسوالجزيئات الحيوية بشكل هادف السكريات والبروتينات والأحماض النووية والشحوم في إطار العلاقة بين بنيتها (بنية الحمض النووي، كيمياء الكربوهيدرات، بنية البروتين)، ووظيفتها (وظيفة البروتين)، والخصائص، فيما يتعلق بإمكانية تطبيقها على مجالات مثل المعالجة البيئية، وإنتاج المحاصيل والمواشي، وخلايا الوقود الحيوي والتشخيص الجزيئي الحيوي.

تُدرَس الديناميكا الحرارية والحركية للتعهد على الجزيئات في الإنزيمات والأجسام المضادة وتهجين الحمض النووي والاقتران الحيوي/ التثبيط الحيوي والشلل البيولوجي. ويُولى الاهتمام أيضًا إلى أساسيات الجزيئات الحيوية المهندسة في تأشير الخلية، وحركية نموالخلايا، وهندسة مسارات الكيمياء الحيوية وهندسة المفاعلات الحيوية.

الجدول الزمني

التاريخ

خلال الحرب العالمية الثانية، جمعت الحاجة إلى كميات كبيرة من البنسلين من النوعية المقبولة المهندسين الكيميائيين وفهماء الأحياء الدقيقة للهجريز على إنتاج البنسلين. أدى ذلك إلى خلق الظروف المناسبة لبدء سلسلة من ردود العمل التي تؤدي إلى إنشاء مجال الهندسة الجزيئية الحيوية.

حدَّدت معاهد الصحة الوطنية الأمريكية لأول مرة في عام 1992 الهندسة الحيوية كأبحاث في قابلة الهندسة الكيميائية وفهم الأحياء مع الهجريز على المستوى الجزيئي. على الرغم من حتى الهندسة الجزيئية الحيوية عُرّفَت لأول مرة على أنها مُجرَّد أبحاث، أصبحت منذ ذلك الحين تخصصًا أكاديميًا ومجالًا من التطبيقات الهندسية.

أصبح هيرسيبتين، وهومضاد وحيد النسيلة، أحد علاجات سرطان الثدي المتوافقة مع البشر، أول دواء صُمّمَ من خلال منهج الهندسة الجزيئية الحيوية، وافقت عليه إدارة الغذاء والدواء الأمريكية، كما حتى هندسة الجزيئات الحيوية كانت اسمًا سابقًا لمجلة التكنولوجيا الحيوية الجديدة.

المستقبل

يمكن حتى تساعد التقنيات الحيوية المستوحاة من المستقبل في تفسير الهندسة الجزيئية الحيوية. بالنظر إلى قانون مور «التنبؤ»، فإن المعالجات القائمة على الكم وفهم الأحياء في المستقبل هي تقنيات «كبيرة». باستخدام الهندسة الجزيئية الحيوية، يمكن معالجة طريقة عمل المعالجات من أجل العمل بنفس الطريقة في عمل الخلية البيولوجية. تمتلك الهندسة الجزيئية الحيوية إمكانية حتى تصبح أحد أبرز المجالات الفهمية بسبب التقدم الذي حققته في تحليل أنماط التعبير الجيني بالإضافة إلى المعالجة الهادفة للعديد من الجزيئات الحيوية الهامة لتحسين الأداء الوظيفي. يؤدي البحث في هذا المجال إلى اكتشافات أدوية جديدة وتحسين العلاجات والتقدم في تكنولوجيا المعالجة الحيوية الجديدة.

مع تزايد الفهم بالجزيئات الحيوية، فإن معدل العثور على جزيئات جديدة هامة، بما في ذلك على سبيل المثال، الأجسام المضادة، والإنزيمات، واللقاحات، والببتيدات العلاجية سيستمر في التسارع. وستنتج الهندسة الجزيئية الحيوية تصاميم جديدة للعقاقير العلاجية والجزيئات الحيوية عالية القيمة لعلاج أوالوقاية من السرطانات والأمراض الوراثية وأنواع أخرى من الأمراض الأيضية.

أيضًا، هناك تسقط للإنزيمات الصناعية التي صُمّمَت ليكون لها خصائص مرغوبة لتحسين العملية وكذلك تصنيع منتجات الجزيئات الحيوية عالية القيمة بتكلفة إنتاج أقل بكثير. باستخدام تقنية إعادة الهجريب، سيُنتج مضادات حيوية جديدة نشطة ضد السلالات المقاومة.

الجزيئات الحيوية الأساسية

تتعامل الهندسة الحيوية مع معالجة الكثير من الجزيئات الحيوية الأساسية. وتضم هذه المواد، على سبيل المثال، البروتينات والسكريات والأحماض النووية والدهون. هذه الجزيئات هي العناصر الأساسية للحياة ومن خلال التحكم في شكلها ووظيفتها ومعالجتها، هناك الكثير من الطرق والمزايا الجديدة المتاحة للمجتمع. نظرًا لاختلاف جميع جزيء حيوي، فهناك عدد من التقنيات المستخدمة لمعالجة جميع منها على التوالي.

البروتينات

البروتينات تعبير عن بوليمرات تتكون من سلاسل الأحماض الأمينية المرتبطة بواسطة روابط ببتيدية. تحتوي أربعة مستويات مختلفة من حيث البنية: الأولية والثانوية والثالثية والرابعية. البنية الأولية تشير إلى تسلسل أساس الحمض الأميني. هجرز البنية الثانوية على التوافقات البسيطة التي تنشأ نتيجة الترابط الهيدروجيني بين سلسلة الأحماض الأمينية.

إذا كان معظم البروتين يحتوي على روابط هيدروجينية بين الجزيئات، يُنطق إنه ليفي، وستكون غالبية بنيته الثانوية تعبير عن صفائح بيتا. ومع ذلك، إذا كان معظم التوجه يحتوي على روابط هيدروجين داخل الجزيء، فإن البروتين يشار إليه على أنه كروي ويتألف في الغالب من لولب ألفا. هناك أيضًا تشكيلات تتكون من مزيج من لولب ألفا وصفائح بيتا بالإضافة إلى حلزون بيتا مع صفائح ألفا.

تتعامل البنية الثالثية من البروتينات مع عملية الطي وكيفية هجريب الجزيء الكلي. أخيرًا، البنية الرابعية تعبير عن مجموعة من البروتينات الثلاثية تتجمع وترتبط مع بعضها. مع جميع هذه المستويات، تحتوي البروتينات على مجموعة واسعة من الأماكن التي يمكن معالجتها فيها وتعديلها. تُستخدم التقنيات للتأثير على تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين (الطفرة الموجهة للموضع)، أوطي البروتين وتشكله، أوطي بروتين ثلاثي واحد داخل مصفوفة بروتين رباعية. البروتينات التي هي المحور الرئيسي للمعالجة تكون عادةً إنزيمات. هذه هي البروتينات التي تعمل كمحفزات للتفاعلات الكيميائية الحيوية. من خلال معالجة هذه المحفزات، يصبح من الممكن التحكم في معدلات التفاعل، والمنتجات، والتأثيرات. الإنزيمات والبروتينات مهمة في المجال البيولوجي، وتبين حتى هناك أقسامًا محددة للهندسة هجرز فقط على البروتينات والإنزيمات.

السكريات

السكريات تُعد جزيء حيوي مهم آخر. هذه هي البوليمرات، التي تسمى السكريات المتعددة (أومتعدد السكاريد)، والتي تتكون من سلاسل من السكريات البسيطة المتصلة عبر الروابط الغليكوسيدية. تتكون هذه السكريات الأحادية منخمسة إلىستة حلقات كربونية تحتوي على الكربون والهيدروجين والأكسجين - عادة بنسبة 1: 2: 1، على التوالي. السكريات الأحادية الشائعة هي الجلوكوز والفركتوز والريبوز.

عندما يتم ربط السكريات الأحادية معاً ببعضها، يمكن حتى تشكل السكريات الثنائية والسكريات قليلة التعدد ومتعدد السكاريد: تعتمد التسمية على عدد السكريات الأحادية المرتبطة ببعضها. السكريات الثنائية الشائعة، تعبير عن اثنين من السكريات الأحادية المتحدين معًا، هم السكروز، والمالتوز، واللاكتوز. السكريات المتعددة الهامة، تحوي روابط للعديد من السكريات الأحادية، هي السليلوز والنشا والكايتين.

السليلوز هومتعدد السكاريد يتكون من 1-4 روابط بيتا بين أحاديات الجلوكوز المتكررة.  إنه المصدر الأكثر وفرة للسكر في الطبيعة وهوجزء رئيسي من صناعة الورق. النشا هوأيضًا متعدد السكاريد تتكون من أحاديات الجلوكوز. ومع ذلك، يتم توصيلها عبر 1-4 روابط ألفا بدلاً من بيتا.

النشويات، وخاصة الأميلاز، مهمة في الكثير من الصناعات، بما في ذلك الورق ومستحضرات التجميل والمواد الغذائية.

الكايتين هومشتق من السليلوز، يمتلك مجموعة أسيتاميد بدلاً من -OH على أحد كاربوناته. نُزعَت سلسلة البوليمر من مجموعة الأسيتاميد ثم سُمّيَت بالكيتوزان. جميع من هذه المشتقات من السليلوز هي مصدر رئيسي للبحث عن الصناعات الطبية الحيوية والغذائية.

ثبت أنها تساعد في تخثر الدم، ولها خصائص مضادة للميكروبات، وتُستخدم في التطبيقات الغذائية. يركز الكثير من الهندسة والأبحاث على درجة العامل المُؤَستل الذي يوفر النتيجة الأكثر فعالية لتطبيقات محددة.

الأحماض النووية

الأحماض النووية هي جزيئات كبيرة تتكون من الحمض النووي (دنا) والحمض النووي الريبي (رنا) والتي هي البوليمرات الحيوية التي تتكون من سلاسل الجزيئات الحيوية. هذان الجزيئان هما الشفرة الوراثية والنطقب الذي يجعل الحياة ممكنة. ويؤدي التلاعب بهذه الجزيئات والبنى إلى حدوث تغييرات كبيرة في التعبير عن الجزيئات الكبيرة الأخرى ووظيفتها.

النيوكليوسيدات هي أمين غليكوسيلي يحتوي على قاعدة نووية مرتبطة إما بسكر الريبوز أوالريبوز المنقوص الأوكسيجين عبر رابط بيتا غليكوسيدي. يحدد تسلسل القواعد الشفرة الوراثية.  النيوكليوتيدات هي نيوكليوسيدات يتم فسفرتها بواسطة كينازات معينة عن طريق رابطة فوسفات ثنائي الأستر. النيوكليوتيدات هي البُنى المتكررة للأحماض النووية.

تتكون النيوكليوتيدات من قاعدة نيتروجينية وبنتوز (ريبوز للحمض النووي الريبي أوريبوز منقوص الأوكسيجين للحمض النووي) وثلاث مجموعات فوسفاتية. اطلع على تقنيات، التطفر نوعي المسقط، والحمض النووي مُعاد الهجريب، والمُقايسة الامتصاصية المناعية للإنزيم المرتبط (أوالإلايزا).

المراجع