Инженерная энзимология. Промышленное производство и применение ферментов.
7.1. Роль и значение ферментов
Ферменты, или энзимы, — это биологические катализаторы, обладающие способностью избирательно катализировать многие химические превращения как в живой клетке, так и вне организма. Еще русский физиолог И.П. Павлов называл их истинными двигателями всех природных процессов.
Ферменты нетоксичны, работают при нормальных условиях, обладают высокой специфичностью и эффективностью действия, сохраняют свои свойства вне клетки. Все это позволяет применять их в качестве экологически чистых и недорогих биокатализаторов для технологических процессов в химической, текстильной, кожевенной, пищевой, сельскохозяйственной и других отраслях промышленности.
Значительна роль ферментов в фармакологии и медицине (рис. 7.1). Их широко используют в заместительной терапии при лечении большого числа заболеваний. Так, амилазы, липазы, пепсин, трипсин и химотрипсин (в виде ферментных препаратов и их смесей — фестал, панзинорм, мезим и др.) применяют для лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта и печени; протеазы — для лечения злокачественных новообразований; плазмин (фибриноли-зин), стрептокиназу, урокиназу — для растворения тромбов в кровеносных сосудах; (3-галактозидазу — для восстановления способности к усвоению молочных продуктов у людей, страдающих недостаточностью этого фермента в желудочно-кишечном тракте. Эластаза задерживает развитие атеросклероза.
Изменение уровня активности определенного фермента или соотношения его множественных форм и изоферментов позволяет проводить диагностику заболевания того или иного органа (энзимодиагностика). Например, повышение в сыворотке крови активности фруктозо-1,6-дифосфатальдо-лазы свидетельствует об инфекционном гепатите, раке печени, инфаркте миокарда; повышение в плазме крови активности креатинкиназы — о мышечной дистрофии, а возрастание активности аланинаминотрансферазы — о болезнях печени и т. д.
Ферменты применяют при создании новых технологий очистки сточных вод, а также при использовании содержащихся в них веществ. Например, во Франции активно внедряется новая технология производства кормовых белков из аминокислот и пептидов сточных вод. Она основана на открытой А.Я. Данилевским в 1886 г. реакции пластеино-образования (образование белковоподобных веществ — пластеинов), в которой участвуют протеолитические ферменты.
Источником для крупномасштабного выделения ферментов служат организмы, в которых содержание требуемого фермента составляет не менее 1 %. К ним относятся бактерии (рис. 7.2), некоторые растения (например, проростки злаков, бобовых растений), отдельные ткани и органы животных (например, слизистая оболочка желудочно-кишечного тракта).
Широкое применение ферментативных препаратов определяет темпы их производства и потребления. Лидерами этого направления на мировом рынке являются США, Япония и страны Западной Европы. Так, объем продаж ДНКа-зы составил в 2000 г. примерно 100 млн долларов.
В то же время препараты чистых ферментов имеют ряд недостатков: они достаточно дороги, нестабильны и быстро разрушаются при хранении либо требуют специальных условий хранения (низкая отрицательная температура — до -80 °С, добавление коферментов и субстратов), их невозможно использовать многократно, трудно отделить от исходных субстратов и продуктов реакции.
Решить эти проблемы удалось с помощью инженерной энзимологии — науки, появившейся в 1960-е гг. и создавшей иммобилизованные ферменты. Достижения инженерной энзимологии дали начало развитию нового направления аналитической химии — безреагентных методов анализа, основанных на использовании различных биохимических сенсоров. Наличие в устройстве биоматериала с уникальными свойствами позволяет с высокой селективностью определять нужные соединения в сложной по составу смеси, не прибегая ни к каким дополнительным операциям, связанным с использованием других реагентов, концентрированием и т. д. (отсюда и название — безреагентные методы анализа).