Molekulski inženjering

S Vikipedije, slobodne enciklopedije
Ovaj članak je deo diseminacionih aktivnosti uz podršku Fonda za nauku Republike Srbije, Program DIJASPORA, #6464843, MeMEAS u saradnji sa Hemijskim fakultetu Univerziteta u Beogradu. Sadržina ovih tekstova ne izražava stavove Fonda za nauku Republike Srbije.
Datum unosa: oktobar—decembar 2023.
Vikipedijanci: Ova grupa učenika će pisati članke na podstranicama, gde će ostati do kraja perioda unosa i ocenjivanja.
Pozovamo vas da pomognete učenicima i date im smernice tokom izrade.

Molekulski inženjering predstavlja skup metoda kojima se poboljšanjavaju molekulske osobine postojećeg sistema, proizvoda ili procesa sa specifičnom funkcijom. Princip molekularnog inženjeringa ogleda se u manipulaciji mikroskopskih čestica u cilju poboljšanja makroskopskih osobina.

Molekulski inženjering je interdisciplinarna oblast u kojoj se mogu prepoznati motivi hemijskog inženjerstva, mašinskog inženjerstva, bioinženjeringa, elektronskog inženjeringa, kao i fundamentalnih nauka poput fizike i hemije. Pored toga, molekulski inženjering je po svojim principima, kao i primeni, veoma sličan principima nanotehnologije, po tome što se obe discipline bave proučavanjem osobina mikroskopsih, odnosno nanometarskih, čak i manjih čestica u cilju poboljšanja makroskopskih osobina. Zahvaljujući raznovrsnosti tehnika kojima raspolaže, molekularno inženjerstvo nalazi veoma veliku primenu u raznim granama, kako nauke tako i industrije (vidi odeljak Primena).

Molekulski inženjering je veoma korisna alatka u rešavanju inženjerskih problema. Kako se tradicionalni inženjering bazira na rešavanju problema, direktnim ispitivanjem osobina materijala i proizvoda i njegovom prilagođavanju na željene uslove, stvara se empirijska zavisnost željenih rezultata od samih osobina materijala. Imajući to na umu, tehnike molekulskog inženjeringa omogućavaju direktnu manipulaciju molekulskih (mikroskopskih) osobina u cilju dobijanja sistema ili proizvoda tačno onih makroskopskih osobina neopodnih za funkcionisanje finalnog proizvoda, sistema ili procesa. Upravo iz ovih razloga, molekulski inženjering predstavlja granu nauke koja se dinamično razvija sa povećanjem ljudskih potreba kao i želje za smanjenjem troškova proizvodnje i proizvodnih procesa.

Istorijat[uredi | uredi izvor]

Pojam molekulskog inženjeringa prvi put je upotrebljen 50-ih godina 20. veka gde se objašnjava kao novi način razmišljanja u pogledu projektovanja i inženjerstva. Tradicionalni pristup inženjerstvu uslovljava ispitivanje makroskopskih osobina nekog materijala i njegovo prilagođavanje potrebnim uslovima primene. Ideja o primeni molekulsko inženjerstva omogućava pristup u kom se, polazeći od mikroskopskih osobina pojedinih molekula može konstruisati proizvod tačno onih osobina koje su potrebne.[1] Imajući to u vidu, molekulski inženjering svoju primenu nalazi u velikom broju nauka kako primenjenih, tako i teorijskih. Iako je sam termin u upotrebi od polovine 20. veka, značajnija otkrića vezana za molekularni inženjering desila su se tek sredinom 1980-ih godina objavljivanjem knjige Motori stvaranja: Nadolazeća era nanotehnologija Erika Drekslera kada su i sami koncepti nano- i molekulskih nauka zapravo došle u interesovanje širih narodnih masa.

Takođe, otkriće električne provodljivosti poliacetilena 1977. godine od strane američkog fizičara Alan Dž. Higera, koji je za svoje otkriće 2000. godine nagrađen Nobelovom nagradom za hemiju, bitno je uticalo na razvoj molekularnog inženjeringa.[2]

Primena molekulskog inženjeringa[uredi | uredi izvor]

Kako je molekulski inženjering veoma interdisiplinarna oblast, jasno je da će i njegova primena imati rezultate u više naučnih i industrijskih disciplina. Pored osnovnog principa manipualcije molekulima u cilju poboljšanja makroskopskih osobina proizvoda, drugi princip predstavlja stvaranje molekulske mašinerije sa precizno definisanim zadatkom u cilju vršenja neke specifične funkcije.[3] Na ovom principu zasniva se gotovo čitava primena molekulskog inženjeringa u bioinženjeringu, hemijskom inženjerstvu, mehaničkom i elektronskom inženjeringu, kao i nauci o materijalima i hemiji. Takođe, molekulski inženjering igra značajnu ulogu u metodama rekombinantne tehnologije koja predstavlja veoma pogodan način sinteze i izolovanja proteina od interesa istraživača.

Kako u načne svrhe, tako i u industrijske, molekulski inženjering igra jednu od ključnih uloga u razvoju ovih postupaka.

Primena molekulskog inženjeringa u nauci[uredi | uredi izvor]

Imunoterapija[uredi | uredi izvor]

  • Pravljenje vakcina na bazi amfifilnih peptida koji grade nanometarske micele koje izazivaju snažan imunski odgovor[4]
  • Dizajniranje terapeutskih peptida koji predstavljaju potencijalne lekove za održavanje biološke ravnoteže organizma[5]

Sintetička biologija[uredi | uredi izvor]

Primena molekulskog inženjeringa u svrhe sintetičke biologije ogleda se u upotrebi manjih biohemijskih molekula koji se mogu iskoristiti na takav način da omogućavaju naučniku olakšan rad sa makromolekulima iz prirodnog izvora. Imajući u vidu raznolikost biohemijskih procesa u organizmima živih bića, nekoliko grupa primene molekulskog inženjerstva se može razlikovati u sintetičkoj biologiji.

Proteinsko inženjerstvo predstavlja metode kojima se modifikuju već postojeći proteini ili se sintetičkim putem upotrebom metoda rekombinantne tehnologije sintetišu proteini sa poboljšanim funkcijama u ćelijama domaćina.[6] Ovo se omogućava manipulacijom gena koji nosi informaciju za sintezu proteina od interesa. Ovaj gen može biti sintetisan u laboratoriji i insertovati se u odgovarjući vektor, nakon čega se vektor ubacuje u ćelije domaćina (bakterijske, biljne ili životinjske ćelije) gde se omogućava njegovo umnožavanje. Postoje različite vrste sistema pomoću kojih se ovaj proces odvija i biva regulisan. Takav sistem koji je u najčešćoj primeni u cilju dobijanja rekombinantnih proteina jeste T7 sistem.[7]

Pored proteinskog inženjeringa, molekulski inženjering se u svrhe sintetičke biologije može primeniti i u metaboličkom inženjerstvu koji za cilj ima modifikovanje metaboličkih puteva u cilju optimizacije proizvodnje prirodnih proizvoda.[8]

Primena molekulskog inženjeringa za industrijske postupke[uredi | uredi izvor]

Inženjering životne sredine[uredi | uredi izvor]

  • Desalinizacija vode pomoću jednoslojnih poroznih membrana od grafena sa porama reda veličine nanometra kao potencijalna jeftinija zamena za filtracione membrane izgrađene od polimera[9]
  • Remedijacija zemljišta upotrebom katalitičkih nanočestica karboksimetil celuloze stabilizovane sa elementarnim gvožđem koje ubrzavaju degradaciju zagađujućih supstanci zemljišta (npr. hlorovana organska jedinjenja)[10]
  • Sekvestracija ugljen-dioksida u kojoj se primenom različitih adsorpcionih materijala izgrađenih od nanočestica ugljen-dioksid vezuje za iz antmosfere i skladišti čime se efektivno smanjuje koncentracija ugljen-dioksida u atmosferi[11]

Pored industrijskih procesa koji imaju primenu u životnoj sredini, svakodnevni proizvodi poput kozmetičkih proizvoda modifikovani su upotrebom molekulskog inženjeringa u cilju poboljšanja osobina proizvoda. Pored kozmetike, razni drugi proizvodi iz domaćinstva mogu u sebi sadržati neke nanometarske strukture dodate u cilju da se poboljša neka specifična osobina. Na primer. ubacivanjem nanočestica srebra u prašak za veš sprečava se rast mikroorganizama.[12]

Industrije proizvodnje energije, poput elektroindustrije, industije litijum-jonskih baterija kao i ćelija za proizvodnju solarne energije zahtevaju primenu molekulskog inženjeringa u svojim proizvodnim putevima. Primena molekulskog inženjeringa u proizvodnji solarnih ćelija ogleda se u upotrebi različitih materijala poput organskih molekula, kvantnih tački kao i perovskita u cilju smanjenja proizvodnih troškova kao i povećanja efikasnosti fotovoltaika.

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ von Hippel, A. (1956-02-24). „Molecular Engineering”. Science (na jeziku: engleski). 123 (3191): 315—317. ISSN 0036-8075. doi:10.1126/science.123.3191.315. 
  2. ^ Chiang, C. K.; Fincher, C. R.; Park, Y. W.; Heeger, A. J.; Shirakawa, H.; Louis, E. J.; Gau, S. C.; MacDiarmid, Alan G. (1977-10-24). „Electrical Conductivity in Doped Polyacetylene”. Physical Review Letters. 39 (17): 1098—1101. doi:10.1103/PhysRevLett.39.1098. 
  3. ^ Ball, Philip (2002-09-11). „Natural strategies for the molecular engineer”. Nanotechnology. 13 (5): R15—R28. ISSN 0957-4484. doi:10.1088/0957-4484/13/5/201. 
  4. ^ Black, Matthew; Trent, Amanda; Kostenko, Yulia; Lee, Joseph Saeyong; Olive, Colleen; Tirrell, Matthew (2012-07-24). „Self‐Assembled Peptide Amphiphile Micelles Containing a Cytotoxic T‐Cell Epitope Promote a Protective Immune Response In Vivo”. Advanced Materials (na jeziku: engleski). 24 (28): 3845—3849. ISSN 0935-9648. doi:10.1002/adma.201200209. 
  5. ^ Acar, Handan; Ting, Jeffrey M.; Srivastava, Samanvaya; LaBelle, James L.; Tirrell, Matthew V. (2017). „Molecular engineering solutions for therapeutic peptide delivery”. Chemical Society Reviews. 46 (21): 6553—6569. ISSN 0306-0012. doi:10.1039/c7cs00536a. 
  6. ^ Ulmer, Kevin M. (2019-03-04), Abelson, Philip H., ur., Protein Engineering (na jeziku: engleski) (1 izd.), Routledge, str. 110—120, ISBN 978-0-429-05032-9, doi:10.4324/9780429050329-10, Pristupljeno 2023-12-09 
  7. ^ Chen, Zhen; Zeng, An-Ping (2016-12-01). „Protein engineering approaches to chemical biotechnology”. Current Opinion in Biotechnology. Chemical biotechnology • Pharmaceutical biotechnology. 42: 198—205. ISSN 0958-1669. doi:10.1016/j.copbio.2016.07.007. 
  8. ^ Nielsen, J. (2001-04-01). „Metabolic engineering”. Applied Microbiology and Biotechnology. 55 (3): 263—283. ISSN 0175-7598. doi:10.1007/s002530000511. 
  9. ^ Surwade, Sumedh P.; Smirnov, Sergei N.; Vlassiouk, Ivan V.; Unocic, Raymond R.; Veith, Gabriel M.; Dai, Sheng; Mahurin, Shannon M. (maj 2015). „Water desalination using nanoporous single-layer graphene”. Nature Nanotechnology (na jeziku: engleski). 10 (5): 459—464. ISSN 1748-3395. doi:10.1038/nnano.2015.37. 
  10. ^ He, Feng; Zhao, Dongye; Paul, Chris (2010-04-01). „Field assessment of carboxymethyl cellulose stabilized iron nanoparticles for in situ destruction of chlorinated solvents in source zones”. Water Research. 44 (7): 2360—2370. ISSN 0043-1354. doi:10.1016/j.watres.2009.12.041. 
  11. ^ Lal, Rattan (2008-02-27). „Carbon sequestration”. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences (na jeziku: engleski). 363 (1492): 815—830. ISSN 0962-8436. PMC 2610111 Slobodan pristup. PMID 17761468. doi:10.1098/rstb.2007.2185. 
  12. ^ Radwan, Islam M.; Potter, Phillip M.; Dionysiou, Dionysios D.; Al-Abed, Souhail R. (jun 2021). „Silver Nanoparticle Interactions with Surfactant-Based Household Surface Cleaners”. Environmental Engineering Science. 38 (6): 481—488. doi:10.1089/ees.2020.0160. 
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Молекулски_инжењеринг&oldid=26943249”