5.4 Инженерная энзимология и ее задачи

Развитие прикладной энзимологии долгое время сдерживалось дороговизной чистых ферментных препаратов, неустойчивостью их при хранении и невозможностью многократного использования. Принципиально новые перспективы открылись перед прикладной энзимологией в 60-е года ХХ века в результате появления на стыке химии и биологии новой отрасли – инженерной энзимологии. Ее задачи заключаются в развитии прогрессивных методов выделения ферментов, их стабилизации и иммобилизации, конструировании катализаторов с нужными свойствами и разработке научных основ их применения.

Важным этапом развития инженерной энзимологии стала разработка способов получения и использования иммобилизованных ферментов.

Иммобилизованными называют ферменты, искусственно связанные с нерастворимым носителем, но сохраняющие свои каталитические свойства.

Иммобилизованные ферменты имеют ряд преимуществ в сравнении со свободными молекулами:

1) они представляют собой гетерогенные катализаторы, которые легко отделяются от реактивной среды;

2) могут использоваться многократно;

3) обеспечивают непрерывность каталитического процесса.

Иммобилизация ведет к изменению свойств фермента: субстратной специфичности, устойчивости, зависимости активности от параметров среды. Иммобилизованные ферменты долговечнее и в тысячи раз стабильнее свободных энзимов. Это обеспечивает высокую экономическую эффективность и конкурентоспособность технологий, использующих иммобилизованные ферменты.

Все носители, используемые для иммобилизации ферментов, можно разделить на две группы: органические полимерные и неорганические. К носителям предъявляются следующие требования: они должны быть нерастворимы в реакционной среде, быть разно заряженными с ферментом, иметь высокую гидрофильность, механическую прочность, химическую и биологическую стойкость, не вызывать неспецифической адсорбции и сильных конформационных изменений белка, легко активироваться.

Способы иммобилизации делятся на две группы: химические (то есть с образованием ковалентной связи) и физические.

К физическому способу относят адсорбцию, когда фермент удерживается на носителе с помощью электростатических, водородных связей, а также в силу дисперсности взаимодействий. Этот способ осуществляется на нерастворимых носителях любой природы.

Другим физическим способом является механический способ, при котором ферменты включаются в гели, сшитые поперечными связями, заключаются в капсулы, волокна, мембраны и т.д.

К химическому способу относится ковалентное связывание, которое осуществляется путем ковалентного сшивания с полимерным носителем и поперечного сшивания ковалентными связями молекул белка без носителя. Химический способ является основным в получении иммобилизованных ферментов. Такие препараты стабильны, ферменты из них не вымываются, уменьшается отрицательное влияние матрицы. Существенным недостатком является значительная инактивация ферментов.

Рисунок 4 – Методы иммобилизации ферментов

Кроме иммобилизованных ферментов используют также иммобилизованные клетки.

При использовании иммобилизованных клеток отпадает необходимость выделения и очистки ферментных препаратов, применения кофакторов, создается возможность получения полиферментных систем.

В промышленных производствах используют покоящиеся клетки, так как:

1) многие хозяйственно-ценные продукты синтезируются в стационарной фазе;

2) растущие клетки нарушают структуру носителя;

3) образующиеся дочерние клетки, покидая носитель, загрязняют целевой продукт.

Для подавления роста иммобилизованных клеток используют дефицит фитогормонов, а рост клеток бактерий тормозят добавлением антибиотиков.

В настоящее время с использованием иммобилизованных ферментов и клеток проводятся следующие промышленные процессы:

1) получение глюкозофруктозных сиропов;

2) получение оптически активных L-аминокислот из их рацемических смесей;

3) синтез L-аспарагиновой кислоты (подсластитель и подкислитель) из фумарата аммония;

4) синтез L-аланина из L-аспарагиновой кислоты;

5) синтез L-яблочной кислоты из фумаровой кислоты;

6) получение безлактозного молока;

7) получение сахаров из молочной сыворотки;

8) получение 6-аминопенициллановой кислоты (аналог пенициллина).