生体分子工学

生体分子工学は、工学の原理と実践を生物由来の分子の意図的な操作に応用するものです。生体分子エンジニアは、環境、農業、エネルギー、産業、食糧生産、バイオテクノロジー、医療に関連する生命科学における問題や課題に対する分子レベルのソリューションに焦点を当てるために、生物学的プロセスに関する知識と化学工学の中核知識を統合します。

生体分子エンジニアは、炭水化物、タンパク質、核酸、脂質を、その構造（核酸構造、炭水化物化学、タンパク質構造を参照）、機能（タンパク質機能を参照）、特性の関係の枠組み内で、また環境修復、作物と家畜の生産、バイオ燃料電池、生体分子診断などの分野への応用可能性との関連で意図的に操作します。酵素、抗体、DNAハイブリダイゼーション、バイオコンジュゲーション/バイオ固定化、バイオセパレーションにおける分子認識の熱力学と速度論を研究します。細胞シグナル伝達、細胞成長速度論、生化学経路工学、バイオリアクター工学 における人工生体分子の基礎にも注目します。

第二次世界大戦中、^{[1]許容できる品質の}ペニシリンが大量に必要だったため、化学技術者と微生物学者が協力してペニシリン生産に取り組みました。これにより、一連の反応を開始するための適切な条件が整い、生体分子工学の分野が生まれました。生体分子工学は、1992年に米国国立衛生研究所によって「分子レベルに重点を置いた化学工学と生物学の境界面における研究」と初めて定義されました。最初は研究として定義されていましたが、生体分子工学はその後、学問分野および工学実践分野になりました。乳がん治療のためのヒト化Mabであるハーセプチンは、生体分子工学アプローチによって設計された最初の薬剤となり、米国FDAによって承認されました。また、Biomolecular Engineeringは、 New Biotechnology誌の旧称でした。

将来の生物にヒントを得た技術は、生体分子工学を説明するのに役立ちます。ムーアの法則の「予測」を見ると、将来的には量子および生物学ベースのプロセッサが「ビッグ」な技術になります。生体分子工学を使用すると、プロセッサの動作を操作して、生物細胞の働きと同じ感覚で機能させることができます。生体分子工学は、遺伝子発現パターンの分析の進歩と、多くの重要な生体分子の意図的な操作による機能向上により、最も重要な科学分野の 1 つになる可能性があります。この分野の研究は、新薬の発見、治療法の改善、新しいバイオプロセス技術の進歩につながる可能性があります。生体分子に関する知識が増えるにつれて、抗体、酵素、ワクチン、治療用ペプチドなど、新しい高価値分子の発見率は引き続き加速します。バイオ分子工学は、がん、遺伝病、その他の代謝性疾患の治療や予防のための治療薬や高価値のバイオ分子の新しい設計を生み出すでしょう。また、プロセス改善や、はるかに低い生産コストでの高価値のバイオ分子製品の製造に望ましい特性を持つように設計された工業用酵素も期待されています。組み換え技術を使用して、耐性菌株に対して有効な新しい抗生物質も生産されます。^[2]

生体分子工学は、多くの重要な生体分子の操作を扱います。これには、タンパク質、炭水化物、核酸、脂質が含まれますが、これらに限定されません。これらの分子は生命の基本的な構成要素であり、その形状と機能を制御、作成、操作することで、社会に多くの新しい道と利点がもたらされます。生体分子はそれぞれ異なるため、それぞれを操作するために使用される技術は多数あります。

タンパク質は、ペプチド結合でつながったアミノ酸鎖でできたポリマーです。一次、二次、三次、四次の 4 つの異なる構造レベルがあります。一次構造は、アミノ酸のバックボーン配列を指します。二次構造は、アミノ酸鎖間の水素結合の結果として生じる小さな立体配座に焦点を当てています。タンパク質の大部分に分子間水素結合が含まれている場合、それは線維状であると言われ、二次構造の大部分はベータシートになります。ただし、配向の大部分に分子内水素結合が含まれている場合、タンパク質は球状と呼ばれ、大部分がアルファヘリックスから構成されます。アルファヘリックスとベータシートの混合や、ベータヘリックスとアルファシートで構成される立体配座もあります。

タンパク質の三次構造は、タンパク質の折り畳みプロセスと分子全体の配置を扱います。最後に、四次構造は、三次タンパク質のグループが集まって結合したものです。これらすべてのレベルにより、タンパク質は、操作および調整できるさまざまな場所を持っています。タンパク質のアミノ酸配列 (部位特異的変異誘発)、タンパク質の折り畳みと立体配座、または四次タンパク質マトリックス内の単一の三次タンパク質の折り畳みに影響を与える技術が使用されます。操作の主な焦点となるタンパク質は通常、酵素です。これらは、生化学反応の触媒として機能するタンパク質です。これらの触媒を操作することで、反応速度、生成物、および効果を制御できます。酵素とタンパク質は生物学分野と研究にとって重要であるため、タンパク質と酵素のみに焦点を当てた特定の工学部門があります。

炭水化物も重要な生体分子です。炭水化物はポリマーで、多糖類と呼ばれ、グリコシド結合でつながった単糖の鎖で構成されています。これらの単糖類は、炭素、水素、酸素をそれぞれ 1:2:1 の比率で含む 5 ～ 6 個の炭素環で構成されています。一般的な単糖類は、グルコース、フルクトース、リボースです。単糖類は結合すると、二糖類、オリゴ糖、多糖類になります。命名は、結合した単糖の数によって異なります。一般的な二糖類、つまり 2 つの単糖が結合したものは、スクロース、マルトース、ラクトースです。多くの単糖が結合した重要な多糖類は、セルロース、デンプン、キチンです。

セルロースは、反復グルコースモノマー間のベータ1-4結合で構成された多糖類です。自然界で最も豊富な糖源であり、製紙産業の主要な部分です。 デンプンもグルコースモノマーで構成された多糖類ですが、ベータではなくアルファ1-4結合で結合しています。デンプン、特にアミラーゼは、製紙、化粧品、食品など、多くの産業で重要です。 キチンはセルロースの誘導体で、炭素の1つに-OHの代わりにアセトアミド基を持っています。アセトアミド基が脱アセチル化されると、ポリマー鎖はキトサンと呼ばれます。これらのセルロース誘導体は両方とも、生物医学産業と食品産業の主要な研究源です。血液凝固を助け、抗菌特性があり、食事に使用できることが示されています。多くの工学と研究は、特定の用途に最も効果的な結果をもたらす 脱アセチル化の程度に焦点を当てています。

核酸は、生体分子の鎖からなる生体高分子である DNA と RNA からなる高分子です。これら 2 つの分子は、生命を可能にする遺伝コードとテンプレートです。これらの分子と構造を操作すると、他の高分子の機能と発現に大きな変化が起こります。ヌクレオシドは、ベータグリコシド結合を介してリボースまたはデオキシリボース糖に結合した核酸塩基を含むグリコシルアミンです。塩基の配列によって遺伝コードが決定されます。ヌクレオチドは、特定のキナーゼによってホスホジエステル結合を介してリン酸化されるヌクレオシドです。^[3] ヌクレオチドは、核酸の繰り返し構造単位です。ヌクレオチドは、窒素塩基、ペントース (RNA の場合はリボース、DNA の場合はデオキシリボース)、および 3 つのリン酸基で構成されています。部位特異的突然変異誘発、組み換え DNA、およびELISA を参照してください。

脂質は、脂肪酸鎖 が結合したグリセロール誘導体で構成された生体分子です。グリセロールは、化学式 C ₃ H ₅ (OH) ₃の単純なポリオールです。脂肪酸は、末端にカルボン酸基を持つ長い炭素鎖です。炭素鎖は、水素で飽和しているか（すべての炭素結合が水素原子または炭素鎖内の別の炭素との単結合で占められている）、または不飽和であるか（つまり、鎖内の炭素原子間に二重結合がある）のいずれかです。一般的な脂肪酸には、ラウリン酸、ステアリン酸、オレイン酸などがあります。脂質の研究とエンジニアリングは、通常、脂質膜とカプセル化の操作に焦点を当てています。細胞膜やその他の生体膜は通常、リン脂質二重膜またはその誘導体で構成されています。細胞膜の研究とともに、脂質はエネルギー貯蔵のための重要な分子でもあります。脂質は、カプセル化特性と熱力学的特性を利用することで、分子を設計する際の構造とエネルギー制御において重要な資産となります。

組み換え DNA は、生物のゲノムに本来備わっていない遺伝子配列を含む DNA 生体分子です。組み換え技術を使用すると、制限部位の位置に関係なく、DNA 配列を正確に挿入、削除、または変更することができます。組み換え DNA は、幅広い用途に使用されます。

組み換え DNA を作成する従来の方法では、通常、宿主細菌内でプラスミドを使用します。プラスミドには、 EcoR1などの制限酵素の認識部位に対応する遺伝子配列が含まれています。同じ制限酵素で切断された外来 DNA 断片が宿主細胞に挿入された後、制限酵素遺伝子は、熱を加えることによって、^[4]またはアラビノースなどの生体分子を導入することによって発現されます。^[5]発現すると、酵素は対応する認識部位でプラスミドを切断し、プラスミドに粘着末端を作成します。次に、リガーゼが粘着末端を外来 DNA 断片の対応する粘着末端に結合し、組み換え DNA プラスミドを作成します。

遺伝子工学の進歩により、微生物の遺伝子の改変が非常に効率的になり、約1週間程度の時間で構築物を作成できるようになりました。また、生物のゲノム自体を改変することも可能になりました。具体的には、バクテリオファージラムダの遺伝子が組み換えに使用されます。^[6]このメカニズムはリコンビナリングと呼ばれ、それぞれexo、bet、gam遺伝子によって生成される3つのタンパク質Exo、Beta、Gamを利用します。Exoは、5'から3'への活性を持つ二本鎖DNAエキソヌクレアーゼです。二本鎖DNAを切断して3'オーバーハングを残します。Betaは、一本鎖DNAに結合し、挿入されたDNAと染色体DNAの相同領域間のアニーリングを促進することで相同組み換えを助けるタンパク質です。Gamは、細胞内の ネイティブヌクレアーゼによってDNA挿入が破壊されるのを防ぐように機能します。

組み換えDNAは、さまざまな目的のために操作できます。使用される技術により、遺伝子の特定の変更が可能になり、あらゆる生体分子を変更することができます。組み換えDNAは、特定の生物の遺伝子を分析するために使用できる実験目的で操作できます。製薬業界では、タンパク質を組み換え技術を使用して変更することができます。これらのタンパク質の一部には、ヒトインスリンがあります。組み換えインスリンは、ヒトインスリン遺伝子を大腸菌に挿入することによって合成され、ヒトが使用するインスリンを生成します。^{[7] [8]}ヒト成長ホルモン、^[9] 因子VIII 、B型肝炎ワクチンなどの他のタンパク質も同様の方法を使用して生成されます。組み換えDNAは、ELISA法を使用する診断方法にも使用できます。これにより、抗原や取り付けられた酵素を操作して、さまざまな基質を認識したり、生体固定化用に変更したりすることができます。組み換えDNAは、農業産業で見られる多くの製品にも使用されています。ゴールデンライス[ ¹⁰ ]などの遺伝子組み換え食品は、食事中のビタミンAが不足している社会や文化で使用するために、ビタミンAの生産量を増やすように設計されている。作物に組み入れられた他の特性には、除草剤耐性^[11]や昆虫耐性^{[12]などがある。}

部位特異的突然変異誘発は、1970 年代から存在する技術です。この分野の初期の研究では、亜硫酸水素塩やアミノプリンなどの特定の化学物質が遺伝子の特定の塩基を変化させる可能性が発見されました。この研究は継続され、制限酵素を使用して特定のウイルス鎖を断片化し、それを細菌プラスミドのプライマーとして使用するなど、遺伝子に特定のヌクレオチド配列を作成するための他のプロセスが開発されました。1978 年にマイケル スミスによって開発された現代の方法では、1 つの塩基対のミスマッチまたは一連のミスマッチを持つ細菌プラスミドと相補的なオリゴヌクレオチドを使用します。^[13]

部位特異的突然変異誘発は、オリゴヌクレオチドまたは遺伝子内の単一の塩基の置換を可能にする有用な技術です。この技術の基本は、野生型細菌プラスミドの相補鎖となるプライマーの準備です。このプライマーは、置換が望まれる部位で塩基対のミスマッチを持ちます。プライマーはまた、野生型プラスミドにアニールするのに十分な長さでなければなりません。プライマーがアニールした後、DNAポリメラーゼがプライマーを完成させます。細菌プラスミドが複製されると、変異した鎖も複製されます。同じ技術を使用して、遺伝子の挿入または削除を作成できます。多くの場合、抗生物質耐性遺伝子が目的の改変とともに挿入され、細菌は抗生物質培地で培養されます。正常に変異しなかった細菌はこの培地では生存できず、変異した細菌は簡単に培養できます。

部位特異的変異誘発は、さまざまな理由で役立ちます。1つの塩基対の置換によりコドンが変更され、タンパク質内のアミノ酸が置き換えられる可能性があります。変異誘発は、タンパク質の機能と特定のアミノ酸の役割を決定するのに役立ちます。活性部位に近いアミノ酸が変異すると、速度論的パラメータが大幅に変化したり、酵素の挙動が異なったりする可能性があります。部位特異的変異誘発のもう1つの用途は、活性部位から遠いアミノ酸残基をリジン残基またはシステイン残基と交換することです。これらのアミノ酸により、酵素を固体表面に共有結合させやすくなり、酵素の再利用と連続プロセスでの酵素の使用が可能になります。場合によっては、非天然の官能基を持つアミノ酸（アルデヒドタグを介して導入されたアルデヒドなど）がタンパク質に追加されます。^[14]これらの追加は、バイオコンジュゲーションを容易にするため、またはアミノ酸の変化がタンパク質の形状と機能に与える影響を研究するためです。突然変異誘発の利用例の1つは、部位特異的突然変異誘発とPCRを組み合わせて癌細胞中のインターロイキン-6の活性を低下させることです。 ^[15]別の例として、枯草菌は部位特異的突然変異誘発に使用され、細胞壁を通して酵素サブチリシンを分泌します。 ^[16]生体分子エンジニアは、この遺伝子を意図的に操作して、遺伝子に挿入されたタンパク質を生産する工場を細胞に本質的に作り出すことができます。

バイオ固定化およびバイオコンジュゲーションは、化学的または物理的手段によって生体分子の移動性を意図的に操作し、所望の特性を得ることである。生体分子の固定化により、制御された環境下で分子の特性を利用することができる。例えば^[17] 、アルギン酸カルシウムゲルビーズへのグルコースオキシダーゼの固定化は、バイオリアクターで使用することができる。得られた生成物は、カラム内のビーズに結合したままであるため、酵素を除去するための精製を必要としない。固定化される生体分子の種類の例としては、酵素、細胞小器官、および完全な細胞がある。生体分子は、さまざまな技術を使用して固定化することができる。最も一般的なものは、物理的捕捉、吸着、および共有結合修飾である。

• 物理的エントラップメント^[18] - 化学的修飾なしでポリマーを使用して生体分子をマトリックス内に封じ込めること。エントラップメントは、ゲルエントラップメントとして知られるポリマーの格子間、またはファイバーエントラップメントとして知られる合成繊維の微小空洞内で行うことができます。例としては、バイオリアクターとして使用するためにゲルカラムにグルコースオキシダーゼなどの酵素を封じ込めることなどが挙げられます。エントラップメントの重要な特徴は、生体触媒は構造的に変化しないままですが、基質に対して大きな拡散障壁を作り出すことです。
• 吸着- 生体分子と支持体上の基との相互作用による生体分子の固定化。物理的吸着、イオン結合、または金属結合キレート化が考えられます。このような技術は、結合が pH、溶媒、温度に大きく依存しますが、穏やかな条件で比較的簡単に実行できます。例としては、酵素結合免疫吸着法があります。
• 共有結合修飾は、特定の官能基とマトリックス間の化学反応を伴う。この方法は、生体分子とマトリックスの間に安定した複合体を形成し、大量生産に適している。官能基への化学結合の形成により、活性が失われる可能性がある。使用される化学反応の例としては、DCCカップリング^[19] 、PDCカップリング、EDC / NHSカップリングなどがあり、いずれも生体分子の表面にある反応性アミンを利用している。

固定化は生体分子を制限するため、機能が完全に失われないように注意する必要があります。考慮すべき変数は、pH、^[20]温度、溶媒の選択、イオン強度、結合による活性部位の配向です。酵素の場合、結合により3次元構造が変化するため運動速度が低下するため、機能が失われないように注意する必要があります。バイオ固定化は、診断バイオアッセイ、バイオセンサー、ELISA、バイオセパレーションなどの技術で使用されます。インターロイキン (IL-6) もバイオセンサー上にバイオ固定化できます。IL-6レベルのこれらの変化を観察できることは、病気の診断において重要です。がん患者はIL-6レベルが上昇しており、そのレベルをモニタリングすることで、医師は病気の進行を観察できます。バイオセンサーの表面へのIL-6の直接固定化は、ELISAの迅速な代替手段となります。^[21]

ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）は、 DNA分子の一部を数桁も複製するために使用される科学技術です。PCRは、熱サイクリングと呼ばれる加熱と冷却の繰り返しサイクルと、 DNAプライマーとDNAポリメラーゼの追加により、対象のDNA断片を選択的に複製します。この技術は、1983年にCetus Corporationに勤務していたKary Mullisによって開発されました。Mullisは、DNAクローニング、DNAシークエンシング、遺伝子分析など、多くの分野にPCRが与えた影響により、1993年にノーベル化学賞を受賞しました。 ^[22]

PCRの開発と実践において、数多くの生体分子工学戦略が非常に重要な役割を果たしてきました。たとえば、目的の DNA 断片を正確に複製するための重要なステップは、正しいDNA プライマーの作成です。プライマー合成の最も一般的な方法は、ホスホラミダイト法です。この方法には、目的のプライマー配列を得るために多数の分子を生体分子工学的に操作することが含まれます。このプライマー設計法で見られる最も顕著な生体分子工学技術は、固体支持体へのヌクレオチドの最初の生体固定化です。このステップは、プライマーの最初のヌクレオチドの 3'-ヒドロキシ基と固体支持体材料との間に共有結合を形成することによって一般的に行われます。^[23]

さらに、DNAプライマーが作成される際、成長中のプライマーに追加されるヌクレオチドの特定の官能基は、望ましくない副反応を防ぐためにブロックする必要があります。この官能基のブロック、それに続くグループのブロック解除、後続のヌクレオチドの結合、そして最終的な固体支持体からの切断^[23] はすべて、生体分子工学に起因する生体分子の操作方法です。インターロイキンレベルの上昇は、乳がん患者の死亡率の増加に正比例します。PCRをウェスタンブロッティングとELISAと組み合わせると、がん細胞とIL-6の関係を明らかにするのに役立ちます。^[24]

酵素結合免疫吸着法は、抗体抗原認識の原理を利用して特定の物質の存在を検査するアッセイです。間接ELISA、サンドイッチELISA、競合ELISAの3つの主要なタイプのELISAテストはすべて、抗体が1つの特定の抗原のみに親和性を持つという事実に依存しています。さらに、これらの抗原または抗体は、反応して目的の抗体または抗原の存在を示す比色結果を作成することができる酵素に結合することができます。^[25]酵素結合免疫吸着法は、 HIVを検査するための血液サンプル中のHIV抗体、妊娠を示す尿中のヒト絨毛性ゴナドトロピン分子、および結核の患者を検査するための血液中の結核菌抗体を検出する診断テストとして最も一般的に使用されています。さらに、ELISAは、違法薬物の存在について人々の血清を検査するための毒物学スクリーンとしても広く使用されています。

固体酵素免疫測定法には 3 つの異なるタイプがありますが、3 つのタイプはすべて、抗体または抗原のいずれかを表面に固定することから始まります。この固定は、ELISA の実装で見られる生体分子工学の最初の例です。このステップは、タンパク質または他の物質でコーティングされている可能性のある表面への共有結合を含む、さまざまな方法で実行できます。生体分子工学は、分子と表面間の疎水性相互作用によっても実行できます。さまざまな目的で使用されるさまざまなタイプのELISAがあるため、このステップに必要な生体分子工学は、 ELISAの特定の目的によって異なります。

ELISA開発で用いられるもう一つの生体分子工学技術は、 ELISAの種類に応じて抗体または抗原への酵素のバイオコンジュゲーションである。この酵素バイオコンジュゲーションでは、抗体が酵素と結合している場合の抗体結合部位だけでなく、酵素の活性部位への干渉を避けるなど、考慮すべき点がたくさんある。このバイオコンジュゲーションは、通常、対象となる2つの分子の間に架橋を作成することによって行われ、特定の分子の性質に応じて多種多様な試薬が必要になることがある。^[26]

インターロイキン（IL-6）は、免疫反応中に存在することが知られているシグナル伝達タンパク質です。サンドイッチ型ELISAを使用すると、脊髄液または骨髄サンプル内のこのサイトカインの存在を定量化できます。^[27]

バイオ分子工学は、さまざまな産業や分野に応用されている広範な分野です。そのため、バイオ分子工学の専門職について一般的な見解を述べることは困難です。しかし、バイオテクノロジー業界は、適切な代表例です。バイオテクノロジー業界、またはバイオテック業界には、バイオテクノロジーを使用して商品やサービスを生産したり、バイオテクノロジーの研究開発を行うすべての企業が含まれ^[28]ます。このように、バイオ分子工学分野の産業への応用の多くが含まれます。バイオテック業界を調べると、業界の主なリーダーは米国であり、フランスとスペインがそれに続くことがわかります^[28]また、バイオテクノロジー業界とバイオ分子工学の応用の焦点は、主に臨床と医療であることも事実です。人々は健康のためにお金を払うことをいとわないため、バイオテック業界に向けられたお金のほとんどは、健康関連のベンチャーに留まります。^[要出典]

プロセスのスケールアップには、実験規模の操作（モデルまたはパイロットプラント）からのデータを使用して、商業規模の大規模な（スケールアップされた）ユニットを設計することが含まれます。スケールアップは、プロセスの商業化の重要な部分です。たとえば、遺伝子組み換え大腸菌によって生成されたインスリンは、ラボ規模で初期化されましたが、商業的に実行可能にするには、産業レベルにスケールアップする必要がありました。このスケールアップを達成するには、商業規模のユニットを設計するために多くのラボデータを使用する必要がありました。たとえば、インスリン製造のステップの1つには、高純度のグラルギンインスリンの結晶化が含まれます。^[30]このプロセスを大規模に達成するには、均一な混合を実現するために、ラボスケールと大規模の結晶化装置の両方の電力/容量比を同じに保つ必要があります。^{[31]また、ラボスケールの}結晶化装置は、大規模結晶化装置と幾何学的に類似している と想定しています。したがって、

P/V α N _i ³ d _i ³
ここで、d _i = 晶析装置インペラ直径、
N _i = インペラ回転速度

生命科学に適用されるすべての工学を包括する広義の用語。この研究分野では、生物学の原理と工学の原理を利用して、市場性のある製品を生み出します。バイオエンジニアリングの応用例には次のようなものがあります。

• バイオミメティクス- 天然の生物学的に生成される物質およびプロセスの形状と機能を模倣する合成システムの研究と開発。
• バイオプロセス工学- 食品や医薬品など多くの製品の生産に役立つプロセス機器および最適化の研究と開発。
• 工業微生物学- 食品や抗生物質などの工業製品の生産における微生物の活用。工業微生物学のもう 1 つの一般的な応用は、特定の微生物を利用して化学工場の廃水を処理することです。

生化学は、生物（生物物質を含むがこれに限定されない）における化学反応の研究分野です。生化学反応はすべての生物と生命活動を支配しており、生化学の分野ではこれらの反応を理解し、操作することを目指しています。

• 生体触媒–酵素を使用した化学変換。
• バイオセパレーション – 生物学的に活性な分子の分離。
• 熱力学と速度論（化学） - 細胞の成長と生化学物質に関わる反応の分析。
• バイオリアクターの設計と分析 – 生化学的変換を実行するためのリアクターの設計。

• 生体材料– 細胞や組織をサポートするための新しい材料の設計、合成、製造。
• 遺伝子工学– 生物のゲノムを意図的に操作して、新しい表現型特性を作り出すこと。
• バイオエレクトロニクス、バイオセンサー、バイオチップ– 生物学的プロセスを測定、監視、制御するために設計されたデバイスとシステム。
• バイオプロセス工学– ファインケミカルおよび医薬品の製造のための細胞ベースおよび酵素ベースのプロセスの設計と保守。

生体電気工学は、生きた細胞や生物によって生成される電界に関係します。例としては、体の筋肉や神経の間に発生する電位が挙げられます。この分野では、電気と生物学の分野の知識が必要であり、これらの概念を理解して活用し、現在のバイオプロセスやテクノロジーを改善または向上させます。

• 生電気化学- 細胞全体の電子/陽子輸送に関わる化学
• バイオエレクトロニクス- 生物学とエレクトロニクスを融合した研究分野

生物医学工学は、生物工学のサブカテゴリであり、多くの同じ原理を使用しますが、さまざまな工学開発の医療への応用に重点を置いています。生物医学工学の応用には、次のようなものがあります。

• 生体材料- 人体に埋め込むための新しい材料の設計と、それが人体に与える影響の分析。
• 細胞工学–組み換えDNAを使用した新しい細胞の設計と、正常な細胞が人工的に埋め込まれた生体材料に付着できるようにする手順の開発
• 組織工学–新しい組織を形成するために基本的な生物学的構成要素から新しい組織を設計する
• 人工臓器- 組織工学の臓器全体への応用
• 医療画像診断- CATスキャン、MRI、超音波、X線などの技術を使用した組織の画像診断
• 医療用光学とレーザー – 医療診断と治療へのレーザーの応用
• リハビリテーション工学– 障害者を支援するための装置やシステムの設計
• マンマシンインターフェース - 視線追跡、音声認識、筋肉および脳波制御を使用した外科用ロボットおよび遠隔診断・治療システムの制御
• 人間工学とヒューマンファクター– 幅広いアプリケーションで人間のパフォーマンスを向上させるシステムの設計

化学工学は、原材料を化学製品に加工するプロセスです。反応物を生成するための原材料の準備、制御された条件下でのこれらの反応物の化学反応、製品の分離、副産物のリサイクル、廃棄物の処分が含まれます。各ステップには、抽出、濾過、蒸留などの「ユニット操作」と呼ばれる特定の基本的な構成要素が含まれます。^[32]これらのユニット操作は、すべての化学プロセスに見られます。生体分子工学は、化学工学のサブセットであり、これらの同じ原理を生物によって生成される化学物質の処理に適用します。

米国全土で新たに開発され、提供されている学部課程は、化学工学課程と組み合わせられることが多く、学生は理学士号を取得できる。ABET（工学技術認定委員会）によると、生体分子工学のカリキュラムは「化学、物理学、生物学を含む基礎科学の徹底的な基礎を提供し、高度なレベルのコンテンツも提供する必要がある... [および] 化学、物理、および/または生物学的プロセスの設計、分析、および制御へのこれらの基礎科学の工学的応用」である。^[33]一般的なカリキュラムは、輸送、熱力学、分離、および動力学を含む主要な工学コースで構成され、生物学と生化学を含む生命科学コースが追加され、細胞生物学、ナノテクノロジー、バイオテクノロジー、バイオポリマーなどに重点を置いた専門的な生体分子コースが含まれます。^[34]

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• 生体分子のリスト
• 分子工学

• 界面における生体分子工学（記事）
• 生体分子工学における最近の進歩
• 生体分子センサーISBN 074840791X (アルカリ紙) 

• AIChE 国際生体分子工学会議