БИОЛОГИЯ Том 2 - руководство по общей биологии - 2004

12. МИКРОБИОЛОГИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ

12.16. Ферментные технологии

В этом разделе мы рассмотрим, как выделенные из клеток ферменты используются в биотехнологии.

Ферменты — это биологические катализаторы, которые позволяют скоординировать химическую активность в клетках. Несмотря на то что ферменты используются человеком уже тысячи лет, только в конце XIX в. мы начали понимать, как они работают. Сейчас мы знаем, что ферменты — это сложные белковые молекулы со специфической трехмерной конфигурацией и что их структура закодирована в ДНК. Число возможных конфигураций может быть бесконечно большим.

Для промышленности ферменты привлекательны по двум основным причинам. Во- первых, благодаря своему разнообразию ферменты потенциально способны катализировать множество промышленно важных химических реакций. Во-вторых, они гораздо более эффективны и специфичны, чем обычно используемые неорганические катализаторы. При нормальных температурах и давлении в их присутствии осуществляются реакции, которые обычно требуют очень высоких температур и давления. Например, в одном из самых крупных в мире промышленных производств, основанном на методе Хабера (Haber), аммиак (NH3) получают из газообразных азота и водорода при температуре 500 °С и высоком давлении. Азотфиксирующие бактерии способны синтезировать аммиак из атмосферного азота и водорода при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении с помощью ферментов, используя АТФ в качестве источника энергии. Если бы удалось разработать технологию получения аммония с помощью ферментов, можно было бы сберечь очень много энергии. Еще одним преимуществом ферментов является их специфичность, которая позволяет получать очень чистые продукты, что особенно важно для фармакологической, пищевой и сельскохозяйственной промышленности.

Использование ферментов имеет и ряд недостатков, связанных главным образом с нестабильностью белков, выделенных из клеток. Такие белки легко денатурируют при изменении температуры и pH, и при действии органических растворителей, которые используются в производственных процессах. Они могут также ингибироваться продуктами реакции. Недостатком является также высокая стоимость процессов выделения самих ферментов и необходимость использования для этого «безопасных» (например, непатогенных) организмов, особенно, если ферменты предназначены для получения продуктов, потребляемых животными и человеком. В настоящее время используется менее 200 ферментов из 2500 выделенных и описанных (которые в свою очередь составляют только 10% общего числа обнаруженных в природе). Большинство ферментов выделено всего лишь из одиннадцати видов грибов, четырех видов дрожжей и восьми видов бактерий.

В будущем открываются широкие возможности для конструирования новых ферментов. Одна из них — направленное изменение отдельных аминокислот путем изменения генов, которые кодируют ферменты. Мы все глубже познаем законы, по которым белки принимают специфическую трехмерную конфигурацию, поэтому не исключено появление в ближайшем будущем совершенно новых сконструированных ферментов. Это направление называется белковой инженерией. Кроме того, чем больше мы узнаем о том, как работают ферменты, тем более вероятно, что мы сможем сконструировать небелковые или частично небелковые катализаторы, которые гораздо стабильнее, чем обычные ферменты. Возможно, именно это направление окажется самым привлекательным для предпринимателей. Среди направлений, которые окупятся немедленно, — поиск природных ферментов, являющихся более совершенной альтернативой используемым в настоящее время. Все это требует огромных инвестиций в исследования и разработки.

Сейчас ферменты в производственном процессе используют многие фармацевтические компании, изготовители сыра, пива и вина, производители детергентов, текстиля, фруктовых соков и т. п. Уровень мировой продажи ферментов в настоящее время превышает 1 млрд, долларов в год. В таблице 12.6 приведены некоторые данные об использовании ферментов.

Таблица 12.6. Примеры промышленного использования ферментов

Приложение

Используемые ферменты

Применение

Биологические

детергенты

Внеклеточные протеиназы, продуцируемые бактериями

Для предварительного замачивания или основной стирки; для удаления белковых пятен на одежде и остатков пищи при мытье посуды

Амилазы

Для удаления пятен крахмала с одежды; для удаления устойчивых остатков крахмала при мытье посуды

Целлюлазы

Смягчают хлопковые ткани и делают их более яркими

Пивоваренная

промышленность

Ферменты, образующиеся в ячменена стадии соложения

Гидролизуют крахмал до сахаров и белки до аминокислот и пептидов, которые используются дрожжами для роста и образования спирта

Ферменты из микроогранизмов

Амилазы

Расщепляют полисахариды в солоде

Протеиназы

Расщепляют белки в солоде; удаляют мутность при хранении пива на холоде

β-Глюканазы

Расщепляют полисахариды в пиве и предотвращают появление мутности

Детское питание

Трипсин

Для предварительного расщепления продуктов детской пищи

Молочная

промышленность

Сычужный фермент из желудков телят

Для коагуляции белка при изготовлении сыров

Кожевенная

промышленность

Протеиназы

Удаляют шерсть со шкур; делают кожу более пластичной

Бумажная

промышленность

Амилазы

Разрушают крахмал до более мелких молекул, которые имеют меньшую вязкость и используются для шлихтования (заполнения пространства между волокнами целлюлозы для придания гладкости) и грунтования бумаги

Фотографическое

производство

Протеиназы

Растворяют желатин на поверхности пленки, создавая условия для восстановления серебра

С некоторыми модификациями из табл. 5.2 Biotecnology 2 изд., John Е. Smith, New Studies In Biology (1988), Edward Arnold, and Enzymes, their nature and role, Wiseman, Gould, Hutchinson Educational.

12.16.1. Источник ферментов

Микроорганизмы более предпочтительны в качестве источника ферментов по сравнению с растениями или животными по следующим причинам:

1) они имеют более высокие скорости роста;

2) их можно получить в больших количествах в ферментерах в контролируемых условиях, что экономически выгодно;

3) они осуществляют широкий спектр химических реакций;

4) их свойства можно легко улучшить с помощью методов генной инженерии или путем получения разнообразных мутантов;

5) у них очень простые потребности в питательных веществах;

6) они способны расти на очень дешевых субстратах, часто на отходах;

7) скорость продукции можно изменять в зависимости от потребностей;

8) они продуцируют множество внеклеточных ферментов, которые легко собирать и очищать.