Биотехнология ферментов

Фементы (энзимы) (от лат. fermentum - закваска) - это белки, выполняющие роль катализаторов в живых организмах. Основные функции ферментов - ускорять превращение веществ, поступающих в организм и образующихся при метаболизме (для обновления клеточных структур, для обеспечения его энергией и др.), а также регулировать биохимические процессы (напр., реализацию генетической информации), в т.ч. в ответ на изменяющиеся условия.

Выделяют 6 основных классов ферментов:

I класс – Оксидоредуктазы

II класс – Трансферазы

III класс – Гидролазы

IV класс – Лиазы

V класс – Изомеразы

VI класс – Лигазы

Достоинства ферментов по сравнению с неорганическими катализаторами:

- нетоксичность,

- работают в мягких условиях, не требующих высоких температур и, следовательно, затрат топлива,

- используют доступное сырье (часто отходы), что выгодно с экономической и экологической точек зрения.

Ферменты по объёму производства занимают 3 место после аминокислот и антибиотиков.

Известно и охарактеризовано примерно 2000 ферментов по данным энзимологии. В промышленности используется всего около 30 ферментов. Из производимых ферментов чаще всего используются (и продаются) гидролазы – щелочные и нейтральные протеазы (60%). Они в основном используюся в качестве детергентов при производстве синтетических моющих средств. На втором месте - гликозидазы (30%). Они используются в производстве кондитерских изделий, фруктовых и овощных соков. Основное место среди них занимают глюкоизомераза и глюкозамилаза, применяющиеся при обогащении фруктозой кукурузных сиропов и составляющие около 50% рынка пищевых ферментных препаратов.

Ферменты применяются также в текстильной, кожевенной, целлюлозно-бумажной, медицинской, химической промышленности.

Применение ферментов в технологических процессах:

- амилаза – гидролиз крахмала до декстринов, мальтозы и глюкозы в спиртовой и пивоваренной промышленности, хлебопечении, получении патоки, глюкозы,

- липазы – гидролиз жиров и масел в пищевой, медицинской промышленности, сельском, жилищно-коммунальном хозяйстве, бытовой химии,

- пектиназа – гидролиз галактуронана, осветление вина и фруктовых соков,

- глюкоизомераза – изомеризация глюкозы во фруктозу в кондитерской, ликероводочной, безалкогольной промышленности, хлебопечении. Фруктоза является более сладким моносахаридом, чем глюкоза.

- пептидогидролаза – лизиса (гидролиза) белков в получении аминокислот, производство и получение сыра, мягчение мясных и рыбных изделий, выделка кож, активизация пищеварения. В пивоваренной, винодельческой, пищевой промышленности, в сельском хозяйстве, медицине.

- целлюлазы – гидролиз целлюлозы до глюкозы. Производство пищевых и кормовых препаратов, этанола, глюкозо-фруктозных сиропов. Спиртовая, пивоваренная, пищеконцентратнная промышленность. Хлебопечение, коромопроизводство.

- фруктофуранозилаза – инверсия сахарозы. Кондитерская, ликероводочная, безалкогольная промышленность, производство сиропов.

Получение ферментов

Традиционные источники ферментов – это природные объекты, в которых содержание фермента составляет не менее 1%.

Без применения биотехнологии для получения ферментов в больших количествах пригодны только некоторые растительные организмы на определенной фазе их развития: например, проросшее зерно различных злаков и бобовых, латекс и сок зеленой массы некоторых растений, а также ткани и органы животных: сычуг крупного рогатого скота, семенники половозрелых животных.

Зато практически неограниченный источник ферментов – это микроорганизмы и грибки. За счёт размножения они самостоятельно наращивают объёмы производства ферментов.

В настоящее время наиболее прогрессивным является метод культивирования микроорганизмов при непрерывной подаче в ферментер как питательной среды, так и посевного (микробного) материала.

Иммобилизованные ферменты

Иммобилизированные ферменты (от лат. immobiiis — неподвижный) - это препараты ферментов, молекулы которых связаны с матрицей, или носителем (как правило, полимером), и сохраняют при этом полностью или частично свои каталитические свойства. Иммобилизованные ферменты обычно не растворимы в воде; между двумя фазами возможен обмен молекулами субстрата, продуктов каталитической реакции, ингибиторов и активаторов.

Существует несколько основных способов иммобилизации ферментов.

Способы иммобилизации ферментов:

1) путем образования ковалентных связей между ферментом и матрицей;

2) полимеризацией мономера, образующего матрицу, в присутствии фермента, который при этом оказывается включенным в сетку полимера - обычно геля;

3) благодаря электростатическому взаимодействию противоположно заряженных групп фермента и матрицы;

4) сополимеризацией фермента и мономера, образующего матрицу;

5) связыванием фермента и матрицы в результате невалентных взаимодействий - гидрофобных, с образованием водородных связей и др.;

6) инкапсулированием - созданием около молекул фермента полупроницаемой капсулы, например, включением фермента в липосомы;

7) сшиванием молекул фермента между собой, например, глутаровым альдегидом, диметиловым эфиром диимида адипиновой кислоты.

Конкретные примеры использования иммобилизированных ферментов: производство фруктозы из глюкозных сиропов.

Иммобилизованные ферменты в промышленности

Сегодня в промышленности реализовано всего четыре крупно­масштабные технологии на основе иммобилизованных фермен­тов:

1. Глюкозоизомеразы.

2. Аминоацилазы.

3. Пенициллинацилазы.

4. Лактазы. Так, лактазу иммобилизовали на частицах кремнезема и применяют для превращения лактозы молочной сыворотки в глюкозу и галактозу.

Перспективные ферменты

В обозримом будущем иммобилизованные ферменты могут быть использованы для следующих целей.

1. Холинэстераза. Она может применяться для определения пести­цидов. Степень ингибирования этого фермента в присутствии пестицидов оценивают электрохимическими или колориметриче­скими методами.

2. Карбоангидраза. Аналогичным образом другие ферменты могут использо­ваться для определения токсических веществ. Так, карбоангидраза очень чувствительна даже к малым концентрациям хлорпроизводных углеводородов,

3. Гексокиназа — чувствительна к хлордану, линдану и токсафену.

4. Диизопропилфторфосфатаза. Иммобилизованная диизопропилфторфосфатаза нервных клеток кальмара может найти применение для обезвреживания фосфоорганических нервных газов (зомана, зарина).

5. Гепариназа. Иммобилизованная гепариназа может применяться для предотвращения тромбообразования в аппаратах искусственно­го кровообращения.

6. Билирубиноксидаза. Иммобилизованная билирубиноксидаза может использо­ваться для удаления билирубина из крови новорожденных, стра­дающих желтухой.

7. Гемоглобин. Предложен новый способ применения иммобилизованного гемоглобина. Суть его состоит в том, что включенный в полиуретановую матрицу белок образует «гемогубку», способную поглощать кислород прямо из воды с эффективностью 80%. Затем кислород высвобождается из полимера под действием слабого электрического разряда или в вакууме. Предполагается, что такая система может снабжать кислородом водолазов либо работающие под водой двигатели.

Следующий этап в применении иммобилизованных ферментов - это создание систем сразу из нескольких иммобилизованных ферментов, подобно тому, как это делается в живой клетке.

Возможно, вскоре удастся создать такие простейшие системы из нескольких иммобилизованных ферментов. Так, если заключить в микро­капсулы три фермента — уреазу, глутаматдегидрогеназу и глюкозодегидрогеназу, то их можно будет использовать для удале­ния мочевины из крови больных с почечной недостаточностью.

Иммобилизованные ферменты найдут дальнейшее приме­нение в молочной промышленности. При производстве сыра мо­гут использоваться иммобилизованные свертывающие молоко белки — реннин и пепсин. Для гидролиза жира в молоке можно использовать иммобилизованные липазы и эстеразы. Получим "биотехнологический" сыр.

Разнообразные иммобилизованные ферменты со временем найдут применение и в датчиках для быстрого анализа. Сегодня в таком качестве используются лишь несколько ферментов, но когда будет решена проблема стабилизации, их число увеличит­ся. Особенно полезными из-за их высокой стабильности могут оказаться ферменты термофилов.