ИНЖЕНЕРНАЯ ЭНЗИМОЛОГИЯ
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НИЖЕГОРОДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ ИНЖЕНЕРНАЯ ЭНЗИМОЛОГИЯ Учебное пособие по курсу "Биотехнология" для студентов фармацевтического факультета НИЖНИЙ НОВГОРОД 2005 г 1 УДК 615.014У79 Инженерная энзимология: Учебное пособие по курсу "Биотехнология" для студентов фармацевтического факультета. - Нижний Новгород: Изд-во Нижегородской государственной медицинской академии, 2005. Учебное пособие предназначено для ознакомления студентов с отдельными главами курса “Биотехнология”, посвященными применению в производстве, экологии и медицине чистых и иммобилизованных ферментных препаратов и клеток, полимерных биоматериалов а так же методов их получения и технологическом оформлении процессов на их основе. Составлено на соответствии с программой по биотехнологии (Москва, 2001г.) и приказом МЗ РФ № 93 от 31.03.97 “О поэтапном введении с 1997 года итоговой государственной аттестации выпускников высших медицинских и фармацевтических вузов” Рекомендовано к изданию ученым советом Нижегородской государственной медицинской академии, протокол № от Составители: Османов В.К., Бирюкова О.В., Борисов А.В., Борисова Г.Н., Мацулевич Ж.В., Рецензенты: Османов В.К., Бирюкова О.В. Борисов А.В., Борисова Г.Н., Мацулевич Ж.В., 2005 2 1.ВВЕДЕНИЕ Ферментами обычно называют вещества биологического происхождения, представляющие собой соединения белковой природы и являющиеся специфическими катализаторами. По своей природе ферменты являются сложными соединениями. Для большинства из них структура не является до конца установленной. Однако существование так называемой белковой "составляющей" - неотъемлемой части биологического катализатора можно считать доказанным для большинства промышленно получаемых ферментных препаратов. Практически все попытки "очистить" эти препараты от соединений белковой природы приводили к потере их каталитической активности. Все основные источники ферментов можно разделить на три основные группы: 1. Ткани животных как отход мясоперерабатывающей промышленности. Прежде всего, это богатые ферментами поджелудочная железа и слизистая оболочка желудка. 2. Некоторые растения. Например, такие гидролитические ферменты, как папаин и рицин извлекают соответственно из сока дынного дерева и инжирного дерева, из ячменя - амилазу. 3. Микроорганизмы. Выбор источника получения того или иного фермента предполагает учет ряда требований, предъявляемых к чистоте получаемого препарата, потребности в нем, стоимости сырья, проведения процессов выделения и очистки готового продукта. Из всех вышеперечисленных источников ферментов наибольшее практическое значение имеют микроорганизмы - продуценты ферментов. Их широкое использование обусловлено, прежде всего, их доступностью, возможностью организовать более эффективное промышленное производство на относительно дешевом сырье и управление, процессом биосинтеза, используя, различные продуценты ферментных препаратов. Использование микроорганизмов значительно расширило круг получаемых ферментных препаратов с различным спектром действия. Только с их помощью удалось получить такие ферменты, как целлюлазы и глюкозоизомеразы. В качестве продуцентов ферментов, как правило, выбирают те штаммымутанты, полученные путем направленной селекции, которые обеспечивают максимальный выход целевого продукта при использовании стандартного оборудования. При этом штаммы-мутанты получают как традиционным путем с использованием таких широкоизвестных методов воздействия, как облучение УФ светом, γи рентгеновскими лучами, обработкой клеток различными химическими агентами: этилимином, диметилсуфатом, гидроксиламином, диазометаном, оксидом азота и пр., изменением температуры и величины рН, так и методами генной инженерии. В качестве продуцентов ферментов могут использоваться различные микроорганизмы. Для получения амилолитических и протеолитических ферментных препаратов в промышленности наиболее часто используют различные штаммы гриба рода Aspergillus и бактерий Bacillus. У бактерий короче цикл развития, на их основе легче получать мутанты. 3 Технология получения ферментных препаратов микробным синтезом обязательно включает в себя стадию промышленного культивирования соответствующего микроорганизма. В условиях промышленного производства значительное количество продуцента получают одним из следующих двух способов: - культивирование на твердых питательных средах (поверхностный способ выращивания продуцента), - культивирование соответствующего продуцента в большом объеме жидкой фазы, содержащей все необходимые для нормального роста и развития микроорганизма питательные вещества (глубинный способ выращивания продуцента). Рис.1 Принципиальная технологическая схема процесса глубинного культивирования микроорганизмов 1 – смеситель питательной среды; 2 – колонна для непрерывной стерилизации потока питательной среды острым паром; 3 - теплообменник – выдерживатель; 4 – теплообменник для охлаждения потока питательной среды; 5 – инокуляторы (посевные аппараты); 6 – индивидуальный фильтр для очистки воздуха, подаваемого в инокулятор; 7 – реактор – ферментер; 8,9 – насосы; 10 – масляный фильтр для предварительной очистки воздуха; 11 – компрессор; 12- головной фильтр для очистки воздуха 2.ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ Ферменты сохраняют свои уникальные свойства (эффективность, специфичность действия) вне клеток, поэтому их традиционно широко применяют в практике. Биологические катализаторы нетоксичны, работают в мягких условиях, используют доступное сырье (в том числе и отходы), в связи, с чем их применение в промышленности выгодно с экономической и экологической точек зрения. По объему производства ферменты занимают третье место после аминокислот и антибиотиков. Из нескольких тысяч известных в настоящее время 4 ферментов наиболее широко в промышленности используются различные гидролазы, которые можно разделить на четыре основные группы ферментных препаратов. I. Амилолитические ферментные препараты К этой группе препаратов относятся α- и β-амилазы и глюкоамилаза. Их используют для гидролиза крахмала и гликогена. В процессе гидролиза сначала образуются более простые полисахариды - декстрины, а в последующем глюкоза. При этом α-амилаза гидролизует без определенного порядка α-1,4глюкозидные связи с образованием декстринов, мальтозы и глюкозы, β-амилаза отщепляет остатки мальтозы, а глюкоамилаза - остатки глюкозы от концевых частей молекул полисахарида. Наиболее широкое применение эти препараты нашли в пищевой промышленности (производство патоки и глюкозы). 2. Протеолитические ферментные препараты Эта группа ферментов относится к гидролазам. Они обладают такой важной особенностью, как высокоселективное воздействие на некоторые пептидные связи белковых молекул и пептидов. Например, пепсин способствует гидролизу пептидных связей с остатками ароматических аминокислот, трипсин катализирует гидролиз пептидной связи между остатками аминокислот аргинина и лизина. Ферментов, входящих в этот класс, очень много. Их классифицируют, в основном, по способности проявлять максимум ферментативной активности в определенной области рН раствора. Кислые протеазы проявляют максимум активности в интервале рН раствора от 1,5 до 3,0, нейтральные - 6,5-7,5, щелочные - от 8,0 и выше. Протеазы нашли свое применение в различных отраслях народного хозяйства: в пищевой и легкой промышленности (предварительная обработка свежего сырого мяса и шкур, животных в кожевенной промышленности), в химической промышленности при получении синтетических моющих средств с добавками протеолитических ферментных препаратов, в здравоохранении при лечении некоторых воспалительных процессов, ожогов, тромбозов, 3. Пектолитические ферментные препараты Пектолитические ферментные препараты используются для расщепления пектиновых веществ, содержащихся в стеблях растений (льна), в различных корнеплодах, фруктах. К ним относятся пектин, пектиновые кислоты и протопектин. Пектиновая кислота - это полимер галактурононой кислоты. Пектин - это полностью или частично этерифицированная метиловым спиртом пектиновая кислота. Протопектин представляет собой комплекс с целлюлозой и белковыми веществами. Строение комплекса пока полностью не установлено. Пектиновые вещества имеют молекулярную массу от 20000 до 200000. Все пектиназы делятся на две группы - гидролазы и трансэлиминазы. Первые катализируют процесс отщепления метоксильных групп (пектинэстераза) или обеспечивают разрыв α-1,4-гликозидных связей (полигалактуроназы). Вторые осуществляют негидролитическое расщепление пектиновых веществ с образованием двойных связей (пектинтрансэлиминазы). Препараты нашли свое применение в легкой промышленности при вымачивании льна, в пищевой промышленности (осветление вин, консервирование фруктовых соков). 5 4. Целлюлолитические ферментные препараты Целлюлолитические ферментные препараты используются при обработке целлюлозы. Сама целлюлоза или клетчатка представляет собой полисахарид общей формулы (С6Н10О5)n и содержится в клеточных стенках растений. При степени полимеризации n=10 образует кристаллическую решетку. Нитевидные молекулы, взаимодействуя между собой, образуют прочные структуры фибриллы. В объеме таких фибрилл существуют упорядоченные кристаллические участки, где молекулы расположены параллельно друг другу и связаны водородными связями, сущеcтвуют также участки с неупорядоченной структурой - аморфные. Микроорганизмы способны синтезировать целый комплекс целлюлолитических ферментов, которые последовательно катализируют процесс гидролиза целлюлозы до глюкозы. В ферментном комплексе различают три группы ферментных препаратов: Ci-фактор, Сx-фермент и целлюбиазу. Целлюлолитические ферментные препараты нашли применение в целлюлозно-бумажной промышленности, медицинской промышленности (получении лекарственных веществ - стероидов из растений), в пищевой промышленности (при производстве растительных масел) и в сельском хозяйстве (в качестве добавок к кормам жвачных животных). По прогнозам ученых, основным потребителем ферментов в ближайшем будущем остается пищевая промышленность. Главное место среди этих энзимов занимают глюкоизомераза и глюкоамилаза, применяющиеся для приготовления обогащенных фруктозой кукурузных сиропов и составляющие около 50 % рынка пищевых энзиматических препаратов. На коммерческий уровень поставлено ферментативное разделение рацемических смесей аминокислот и эфиров терпенов. Такие смеси образуются при химическом синтезе, и разделение их по оптическим свойствам составляющих имеет важное практическое значение. Известно, что для этого можно использовать традиционные физико-химические и химические методы (хроматография; механическое разделение, избирательное взаимодействие энантиомеров с другими оптически активными веществами), но гораздо более эффективными и удобными оказываются процессы, основанные на стереоспецифичности ферментов. Рассмотрим некоторые из используемых приемов. 1.Избирательное ацилирование аминов L-аминокислотами под действием ферментов папаина, бромелина или фицина. NH2 COOH H NH2 R D-аминокислота COOH H2N H R L-аминокислота папаин (фермент) COOH H NH2 R CONHC6H5 N2N H R анилид Lаминокислоты Образующийся анилид L-аминокислоты нерастворим в воде и может быть легко отделен от D-изомера, а затем подвергнут гидролизу. 6 2. Асимметричный гидролиз. В этом случае осуществляется стереоспецифический гидролиз производных аминокислот, в результате которого образуется только один энантиомер. Эфиры L-аминокислот гидролизуют протеолитическими ферментами (химотрипсином); нужный продукт и не вступающие в реакцию D-эфиры разделяют по растворимости. COOR H NH2 R химотрипсин (фермент) COOR H2N H COOR H +H2O R NH2 COOH N2N R H ROH R 3. Использование амидаз. Эти ферменты из почек и поджелудочной железы млекопитающих или из микроорганизмов стереоспецифически гидролизуют амиды L-аминокислот. Образующуюся L-кислоту и непрореагировавший D- изомер затем разделяются методом дифференциальной растворимости. Амиды менее склонны к самопроизвольному гидролизу, чем эфиры, поэтому получаются более чистые препараты аминокислот. 4. Стереоспецифический гидролиз N-ацил -L-аминокислот под действием аминоацилазы или карбоксипепсидазы, приводящий к образованию L-аминокислот. COOH H NHCOR R COOH ROCHN H R COOH аминоацилаза H +Í 2Î NHCOR R COOH N2N H RCOOH R Принципы избирательного гидролиза аксиально или экваториально расположенной простой эфирной группы под действием ферментов лежит и в основе разделения рацемических смесей эфиров и терпенов. Весьма перспективным представляется использование ферментов в качестве датчиков вредных и ядовитых веществ. Так, в качестве индикатора на фосфорорганические отравляющие вещества нервно-паралитического действия применяется холинэстераза. Ее так же возможно использовать и для определения многих пестицидов. Степень ингибирования этого фермента в присутствии ОВ или пестицидов оценивают электрохимическими или колориметрическими методами. Аналогично карбонгидраза весьма чувствительна к хлорпроизводным алифатических, а гексокиназа – ароматических углеводородов. Все большее развитие получают технологические процессы с участием сложных энзиматических систем, включающих коферменты. Так, созданы ферментные мембранные реакторы, катализирующие непрерывные процессы с регенерацией НАДН (восстановительное аминирование кетокислот, восстановление α - кетокислот в α - гидроксикислоты). Разработаны системы разделения рацематов посредством стереоспецифического активного транспорта. Например, мембрана, содержащая гексокиназу и фосфатазу, функционирует как насос, избирательно прокачивающий лишь D-глюкозу. Применение сопряженных ферментативных реакций с участием алкогольоксидазы и каталазы дрожжей Hansenulla polimorpha и формальдегиддисмутазы бактерии Pseudomonas putida позволило осуществить окисление метанола в муравьиную кислоту с выходом 887 94%. В промышленности большое будущее имеют ферменты, способные катализировать химические реакции в органической фазе (“каталитические антитела”), в частности липазы. Существенно, что каталитическая активность панкреатической липазы свиньи сохраняется при концентрации воды в реакционной среде, составляющей всего 0,015 %, и при температуре 100 °С. Препараты липазы используют для синтеза оптически чистых сложных эфиров и феромонов, применяющихся в парфюмерии и медицине. Для деградации и модификации антропогенных органических соединений, поступающих в окружающую среду, используют ферменты разных классов и в том числе лакказу, лигниназу, тирозиназу, монооксигеназу, диоксигеназу и др. Перспективна для очистки сточных вод новая технология, основанная на использовании реакции пластеинообразования, открытой А. Я. Данилевским в 1886 г. Сущность работ Данилевского состоит в экспериментальном доказательстве обращения протеолиза и возможности синтеза белковоподобных веществ (пластеинов) под действием ряда протеолитических ферментов. Сточные воды содержат аминокислоты и пептиды, концентрация которых возрастает в результате гидролиза белковых компонентов отходов под воздействием пептидогидролаз микроорганизмов. Данная технология, активно внедряющаяся во Франции, нацелена на производство в промышленных масштабах кормовых белков из аминокислот и пептидов сточных вод. Развитие клеточной и генной инженерии было бы невозможно, если бы в распоряжении исследователей не было целого набора специфических ферментов (рестриктаз, лигаз, синтетаз, ферментов избирательно разрушающих клеточную оболочку и др.). Так, в настоящее время в продаже имеется более 300 различных рестриктаз. Ферменты широко используют в медицине, например в заместительной терапии в составе лечебных препаратов. Пероральное введение фенилаланинаммиак-лиазы снижает уровень фенилаланина в крови при фенилкетонурии. Протеолитические ферменты, амилазу и липазу применяют при заболеваниях желудочно-кишечного тракта и печени. В последние годы накопились данные об эффективности применения протеиназ в энзимотерапии злокачественных новообразований. Это объясняется большей проницаемостью мембран раковых клеток для гидролитических ферментов в сравнении с нормальными клетками, благодаря чему опухолевые клетки быстро лизируются при введении смеси протеиназ (препарат «папайотин»). Протеолитические ферменты - плазмин и активирующие его стрептокиназу и урокиназу используют для растворения тромбов в кровеносных сосудах и разжижении гноя; коллагеназу - для рассасывания рубцовых образований; эластазу - для задержки развития атеросклероза; лизоцим - для лечения конъюнктивитов; дезоксирибонуклеазу из стрептококка (стрептодорназа) - для лечения заболеваний верхних дыхательных путей и роговицы глаза. L-аспарагиназу продуцируют Е. coli и Erwinia carotovora. Фермент используют при химиотерапии некоторых форм лейкемии. L-аспарагиназа отщепляет одну аминогруппу от аспарагина, превращая его в аспарагиновую кислоту. Избирательность действия фермента определяется потребностью некоторых форм опухолевых клеток в аспарагине, тогда как нормальные клетки в аспарагине не нуждаются. 8 Нейраминидазу получают при культивировании Vibrio cholera. Фермент отщепляет остатки N-ацетилнейраминовой кислоты, входящей в мембрану некоторых опухолевых клеток, повышая таким образом их антигенную активность. Может быть использован при лечении некоторых форм лейкемии. β-лактамазы, инактивирующие пенициллины и цефалоспорины, используются при определении стерильности этих антибиотиков (см. ниже) или при микробиологическом анализе клинического материала от больных, получающих эти антибиотики. В терапевтических целях их используют в случае тяжелой аллергической реакции на β-лактамные антибиотики. Фермент вводят внутримышечно или внутривенно совместно с другими препаратами (адреналин, антигистаминные средства). В 2004 г. появилось сообщение о том, что израильские ученые Вейцманнского института в Реховоте, добились значительных успехов в разработке микроскопических роботов, предназначенных для борьбы с тяжелыми заболеваниями и, в первую очередь, с раковыми опухолями. Созданные исследователями "наномашины" состоят из синтетических молекул ДНК и натуральных ферментов, а их размеры настолько малы, что в одном микролитре может уместиться до триллиона подобных устройств. Попав в кровоток, микророботы начинают путешествовать по организму, отыскивая злокачественные образования. Роль сенсоров при этом играет одна из частей ДНК, фиксирующая повышение уровня определенных рибонуклеиновых кислот (РНК). Аномальная концентрация РНК конкретного типа может свидетельствовать о начале развития раковой опухоли. Как только такая РНК обнаруживается, в дело вступает другой компонент "наномашины", подавляющий активность генов, приводящих к развитию болезни. Правда, в настоящее время о практическом применении предложенной методики речи не идет. Ученым удалось завершить только лабораторные тесты в пробирке, успешно идентифицировав клетки, ответственные за развитие рака простаты. И прежде чем "умное лекарство" сможет помочь людям, необходимо доказать его эффективность и безопасность, проведя эксперименты на отдельных тканевых культурах, простейших организмах и, наконец, млекопитающих. На это, могут уйти годы, и даже десятилетия. Важнейшую область применения ферментов в медицине составляет энзимодиагностика - тестирование патологии того или того органа человека по уровню активности фермента или соотношению его множественных форм и изоферментов. Так, аспартатаминотрансфераза, изоцитратдегидрогеназа, лактатдегидрогеназа: альдолаза служат для выявления инфаркта миокарда; аланинаминотрансфераза, аспартатаминотрансфераза и лактатдегидрогеаза - для диагностики заболеваний печени; глутамилтрансфера-1 - для блокировки отторжения органов при их пересадке и т.д. Таким образом, производство ферментных препаратов занимает одно из ведущих мест в современной биотехнологии и относится к тем ее отраслям, объем продукции, которых постоянно растет, а сфера применения неуклонно расширяется. По объему производства ферментов доминируют страны Западной Европы (фирма “Ново Индастри”, Дания), резкий рост этой индустрии наблюдается в США и Японии. 9 3.“КАТАЛИТИЧЕСКИЕ АНТИТЕЛА”: ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ОРГАНИЧЕСКОМ СИНТЕЗЕ. Благодаря разработке огромного количества методов создания углеродного скелета и его направленной функционализации в настоящее время при необходимости можно получать органические соединения практически любой степени сложности. Обычно синтез соединений сложной структуры осуществляют в несколько стадий. При этом решающим фактором, определяющим успех, является эффективность и однозначность каждой стадии. Эффективность реакции определяется ее скоростью и выходом продукта, а однозначность - ее регио- и стереоспецифичностью. Это позволяет получить максимально чистое вещество и избежать сложной процедуры выделения и очистки. По мере развития тонкого органического синтеза и получения все более сложных структур требования к эффективности и специфичности реакции непрерывно возрастают. При этом использование в многостадийных синтезах чисто химических методов нередко оказывается недостаточным. В последнее время для создания углеродного скелета соединений и его функционализации на отдельных стадиях синтеза все чаще стали применять ферментативные реакции. Использование ферментов часто позволяет проводить реакцию быстрее и, благодаря их высокой регио- и, особенно, стереоселективности, чище. Поэтому методы ферментативного и химико-ферментативного синтеза быстро внедряются в практику тонкого органического синтеза. Препятствием для широкого использования биосинтетических методов часто является малая доступность природных ферментов нужной активности и специфичности. Это требует дополнительной трудоемкой работы по поиску подходящего и доступного источника фермента, разработке методов его выделения и очистки и детальному исследованию его специфичности. Поэтому в настоящее время в лабораторной и промышленной практике используется довольно ограниченный круг природных ферментов, катализирующих ограниченный круг химических превращений. Давней мечтой химиков-органиков является получение искусственных ферментов с высокой эффективностью и, главное, с заданной избирательностью действия. Такие ферменты должны изготовляться в лаборатории и направленно использоваться для осуществления нужной реакции. Подобные искусственные ферменты заданной специфичности («tailor-made enzymes») позволили бы сильно повысить эффективность органического синтеза и открыли бы пути к получению новых классов органических соединений. Природные ферменты являются высокомолекулярными белками с однозначной структурой. Их каталитическая активность и избирательность действия заданы строго определенной последовательностью аминокислот белковой цепи. Это, в свою очередь, предопределяет конформацию белковой молекулы и, в конечном счете, формирование пространственной структуры активного центра фермента. Казалось бы, что наиболее простым путем получения искусственного фермента является его прямой синтез. Hо несмотря на общеизвестные успехи в синтетической химии белков, этот путь представляется малоэффективным не только из-за своей трудоемкости, но и потому, что требует информации о 10 первичной структуре целевого белка-фермента. Однако определение аминокислотной последовательности само по себе является сложным и трудоемким исследованием. Решением проблемы явился иной подход к получении искусственных ферментов с заданной специфичностью. Он основан на биосинтезе с использованием мощного иммунологического аппарата клетки, который отличается способностью синтезировать огромное разнообразие белковых молекул. Как известно, иммунная система животных служит для биосинтеза антител защитных белков, предназначенных для «нейтрализации» попавших в организм чужеродных молекул и более сложных комплексов, так называемых антигенов. Иммунная система создает белковую молекулу антитела, структура которого соотносится со структурой антигена таким образом, что активный центр антитела оказывается комплементарным специфической части антигена, так называемого гаптена. Антитело образует с антигеном достаточно прочный комплекс и тем самым «нейтрализует» его действие. Иными словами, биосинтетический аппарат иммунной системы делает возможным получение белковой молекулы, в которой формируется активный центр, структура и пространственное строение которого задаются структурой вводимого в организм антигена. Этот принцип и был использован для получения искусственных ферментов. Согласно современным представлениям, каталитическое действие природного фермента заключается, в первую очередь, в облегчении перехода субстрата реакции из основного состояния в возбужденное переходное состояние. Последнее стабилизируясь в активном центре фермента, превращается далее в продукт или продукты реакции. Таким образом, для проявления каталитической активности в белковой молекуле должен, прежде всего, сформироваться активный центр, способный облегчить формирование и стабилизацию переходного состояния субстрата. Следовательно, при биосинтезе в иммунном аппарате антитела, обладающего каталитическими свойствами, нужно использовать антиген, строение которого моделирует переходное состояние, возникающее в каталитической реакции. Получить стабильную молекулу соответствующую переходному состоянию, невозможно, так как оно представляет собой неустойчивый комплекс. Поэтому в качестве антигенов, генерирующих каталитически активные антитела, были использованы соединения, молекулы которых по своей пространственной и электронной структуре имитировали переходное состояние. Будучи введенными в клетки иммунной системы, такие антигены: должны генерировать антитела, стабилизирующие переходное состояние соответствующей реакции и, следовательно, обладающие каталитическими свойствами подобно природным ферментам. Хотя эта идея была высказана довольно давно, ее реализация вначале столкнулась с трудностями, так как в ответ на введение антигена клетки иммунной системы синтезируют большое количество антител («поликлональные антитела»). Трудности, возникающие при выделении из полученной сложной смеси близких по структуре белков антитела, обладающего наибольшей каталитической активностью и избирательностью, делали этот метод непригодным для практического использования. 11 Положение коренным образом изменилось, когда был открыт и детально разработан метод получения так называемых «моноклональных антител», количество которых и разнообразие более ограничено. В этом случае действительно удалось выделить антитела, обладающие каталитическими свойствами. Таким путем около 10 лет назад были синтезированы первые антитела, получившие название «каталитических антител» (КА) или «абзимов» (сокращение английского «antibody enzymes»). С тех пор эта область стремительно развивается. В настоящее время получено уже около сотни КА, способных ускорять и специфически направлять реакции самого различного типа, и сформулированы основные принципы, используемые при генерации КА заданной специфичности. Все КА были подвергнуты тщательному исследованию методами ферментативной кинетики. Их физико-химические характеристики оказались сходными с характеристиками природных ферментов. В некоторых случаях активность КА приближалась к активности природных ферментов. Полученные КА обладали, как правило, высокой специфичностью, в том числе стереоселективностью, которая могла быть заранее задана. Кроме того, были получены КА, катализирующие реакции, для которых вообще неизвестны природные ферменты (например, для реакции Дильса Альдера). Но наиболее важно и перспективно для синтетической химии то, что удалось получить КА, позволяющие изменить направление известной реакции и направить ее по пути, запрещенному энергетически или стерически в обычных некатализируемых условиях, иными словами, изменить хемо-, регио- и стереоспецифичность реакции и реализовать превращения, недоступные для обычных химических методов. Известны попытки использования “каталитических антител” в практической медицине, например в качестве препаратов, купирующих действие некоторых токсинов, наркотиков и т.д. Перспективным представляется также применение их при создании лекарственных препаратов – предшественников (“prodrugs”). Таким образом, «каталитические антитела» представляют собой новое поколение биокатализаторов белковой природы, а их получение знаменует значительный шаг вперед в теоретическом и практическом аспектах науки о биокатализе. В этой связи возникает вопрос о получении КА в укрупненных масштабах. Первые разработки, касающиеся получения крупных партий КА и их использования для синтеза веществ в граммовых количествах, включая и создание лабораторной установки для этой цели, работающей в полуавтоматическом режиме, уже известны. В настоящее время каких-то принципиальных затруднений для использования КА в препаративном синтезе не просматривается. При современном уровне развития биотехнологии и белковой инженерии получение значительных количеств высокоочищенных “каталитических антител” не вызывает серьезных проблем. Разумеется, их практическое использование в укрупненных лабораторных и технологических масштабах потребует еще решения ряда вопросов и инженерных разработок. Один из вопросов касается наиболее рациональной формы их использования - в растворах, в двухфазной системе, иммобилизованными на носителе, в условиях мицеллярного катализа и т.д. Многие из этих проблем возникали при 12 использовании природных ферментов, но были успешно решены. Это облегчает их решение в случае “каталитических антител”. Что касается экономического аспекта, то несмотря на трудоемкость и дороговизну процесса получения таких биокатализаторов, эффект от их использования, например в асимметрическом синтезе, может полностью окупить эти затраты. Тем не менее, вопрос об их использовании в крупнотоннажных процессах представляется пока преждевременным. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ “КАТАЛИТИЧЕСКИХ АНТИТЕЛ” Принцип действия каталитических антител, как и обычных ферментов, состоит в облегчении формирования переходного состояния молекулы субстрата и создании благоприятных условий для его превращения в конечные продукты реакции. При этом барьер на энергетической координате реакции, возникающий при формировании переходного состояния, снижается, и скорость реакции возрастает. Это- результат нескольких различных по природе взаимодействий, протекающих на активном центре фермента. Полость активного центра комплементарна пространственной структуре субстрата. На поверхности центра расположены активные группировки, стимулирующие соответствующие превращения молекулы субстрата. Пространственная и электронная комплементарность активного центра и субстрата способствуют “узнаванию” субстрата ферментом и образованию фермент – субстратного комплекса, а активные группировки обеспечивают переход молекул субстрата в продукты реакции посредством кислотно-основного катализа, нуклеофильных или электрофильных взаимодействий и т.п. При образовании фермент-субстратного комплекса подвижность молекулы субстрата ограничивается и она «замораживается» в наиболее благоприятной для дальнейшего превращения конформации. Таким образом, достигается существенный выигрыш энергии и создается так называемая «энтропийная ловушка». Такой каталитический эффект особенно существен для бимолекулярных реакций, когда обе реагирующие молекулы фиксируются в выгодном для реакции взаимном положении. Существенную роль в проявлении каталитического эффекта играют и другие факторы, например, наличие в активном центре гидрофобных зон, облегчающих превращения субстрата в неполярной апротонной («неводной») среде. Чтобы получить эффективное каталитическое антитело, необходимо наделить его активный центр свойствами, характерными для активного центра фермента (см. выше), и тем самым сделать возможным проявление каталитического действия. Этой цели служит антиген, в ответ на введение которого в процессе биосинтеза белковой молекулы в иммунном аппарате происходит формирование активного центра нужной структуры. Антиген, используемый для получения КА, состоит из двух основных частей: низкомолекулярного гаптена и высокомолекулярного носителя (доступного природного белка). Гаптен является именно тем фрагментом молекулы антигена, который непосредственно формирует активный центр КА. По своему пространственному и электронному строению он должен соответствовать 13 переходному состоянию, возникающему в процессе реакции, и обеспечивать появление у активного центра активных групп, гидрофобных зон и т.п. Белковая же часть антигена (так называемый «иммуноген») представляет собой высокомолекулярный носитель, обеспечивающий генерацию в иммунном аппарате антител. В качестве белковой части антигена чаще всего используют доступные природные белки- гемоцианин моллюска Mega-tura crenulata (Keyhole Limpet Hemocyanin, KLH) или бычий сывороточный альбумин (BSA). Правильный выбор гаптена является ключевым моментом, который и обеспечивает успех при получении КА. Естественно, что для правильного дизайна гаптена следует знать структуру переходного состояния, пути его возникновения и последующего распада. По сути дела - знать механизм реакции. В настоящее время удалось получить КА, катализирующие протекание многих реакций, различающихся своими механизмами. Однако дать общие рекомендации по дизайну гаптена, естественно, невозможно. Ниже для каждой конкретной реакции будут приведены соображения, послужившие основанием для выбора структуры гаптена. Порою, при недостатке точных знаний о механизме реакции, подбор гаптена носит полуэмпирический характер. В этом случае большое значение имеет опыт, и даже интуиция исследователя. Так, на начальных этапах значительную роль сыграло несколько упрощенное представление о соответствии пространственного и электронного строения гаптена структуре переходного состояния. Этого оказалось достаточно для получения первых эффективных КА. Примером может служить моделирование переходного состояния, возникающего при гидролизе сложноэфирной группировки, группировкой фосфорной или фосфоновой кислоты. Гаптен, наряду с главной «реакционной частью», формирующей активный центр КА, должен содержать также фрагменты, обеспечивающие «узнавание» субстрата антителом. Это достигается включением в гаптен группировок, аналогичных группировкам субстрата. Кроме того, гаптен обязательно должен иметь группировку, позволяющую иммобилизовать его на белке, причем так, чтобы остаток гаптена находился в антигене на некотором расстоянии от белковой цепи. Такой группировкой, называемой «спейсером» или «линкером», может быть короткая алифатическая цепочка, содержащая на конце активную функцииональную группу (например, карбоксильную). При иммобилизации карбоксильная группа спейсера реагирует, например, с аминогруппой остатка лизина белковой молекулы и привязывает к ней гаптен прочной амидной связью. Иммобилизация гаптена на белке обычно протекает в мягких условиях, не затрагивающих ни гаптен, ни иммуногенный белок. Количество молекул гаптена, которые при этом связываются с молекулой белка, зависит от условий иммобилизации. Обычно при синтезе антигена стараются достигнуть привязки не менее 10-20 остатков гаптена на одну молекулу белка. Полученный таким образом антиген используется для иммунизации животных - мышей чистых линий. Иммунизацию обычно проводят по стандартной методике; при получении конкретных КА различаются лишь отдельные детали. Как правило, осуществляют двух-трехкратную иммунизацию посредством внутримышечной инъекции в присутствии адъюванта (чаще всего адъюванта Фрейнда), а затем - одну внутривенную инъекцию без адъюванта для усиления 14 иммунного ответа. По истечении определенного срока клетки селезенки иммунизованного животного используют для получения моноклональных антител в соответствии с классической гибридомной технологией. Для этого клетки селезенки «сплавляют» с клетками миеломы в растворе полиэтиленгликоля. Сформированные таким образом гибридомы продуцируют моноклональные антитела, отвечающие различным фрагментам молекулы антигена. Из всей массы полученных моноклональных антител отбирают те, которые генерированы к структурным фрагментам гаптена и способны образовывать с ним комплекс (благодаря комплементарности их структур). Это достигается исследованием образовавшихся антител методом иммуноферментного анализа (enzyme linked immunosorbent assay - ELISA). В качестве реагента используют гаптен, иммобилизованный на BSA. Образование комплекса гаптена с антителом свидетельствует о комплементарности структуры активного центра антитела со структурой гаптена (и, следовательно, со структурой переходного состояния субстрата, которое моделировал данный гаптен). Можно ожидать, что такие антитела будут обладать каталитическими свойствами. Это проверяется далее прямыми экспериментами по способности отобранного антитела катализировать исследуемую реакцию. Для получения каталитического антитела в количестве, необходимом для дальнейшего исследования, соответствующую гибридому, отобранную при ELISA-анализе, снова вводят мыши и выделяют целевое КА из асцитной жидкости, в которой оно содержится в высокой концентрации. Полученное КА очищают далее обычными приемами белковой химии (осаждение, хроматография и электрофорез). Будучи белком, КА полностью теряет свою активность при термической обработке (денатурации), а также меняет ее при обработке типичными модификаторами белка (иодацетамидом, диэтилкарбонатом, тетранитрометаном и др.). Иногда для получения активных КА применяют более сложные специфические процедуры. Так, например, производится последовательная иммунизация мышей двумя антигенами, различающимися структурой гаптена (так называемая «гетерологическая иммунизация»). При этом у КА формируется активный центр, отвечающий особенностям обоих гаптенов, что придает КА нужную специфичность. В других случаях используют антиген, содержащий гаптен, который не только является стабильной моделью переходного состояния, возникающего при превращении субстрата, но и сам вступает во взаимодействие с формирующимся активным центром КА, воссоздавая тем самым динамику превращения молекулы субстрата в процессе каталитической реакции (так называемая «реактивная иммунизация»). По своим свойствам и поведению КА являются типичными белками, относящимися к классу иммуноглобулинов. Их физико-химические характеристики близки к характеристикам природных ферментов. Так, их поведение в каталитическом процессе подчиняется насыщающей кинетике и следует уравнению Михаэлиса-Ментена. Это свидетельствует о том, что в основе их каталитического действия лежит образование фермент-субстратного комплекса, что было непосредственно подтверждено масс-спектрометрическим исследованием. 15 Ингибирование действия КА гаптеном или его аналогом свидетельствует о том, что полость активного центра КА действительно комплементарна используемому для его генерации гаптену. Ингибиторный анализ КА широко применяется при исследовании строения активного центра КА и механизма его каталитического действия. Каталитический эффект количественно оценивается соотношением констант скорости катализируемой и некатализируемой (основной) реакций. Важнейшей характеристикой КА является специфичность, в том числе стереоселективность. Для определения специфичности действия КА используют традиционный подход - изучают реакции структурных аналогов субстрата и определяют скорости их превращения и/или их ингибиторный эффект при катализе. В нескольких случаях структура КА или его активного центра детально изучалась методом рентгеноструктурного анализа самого КА или его комплекса с субстратом. Такие исследования предпринимались главным образом для выяснения механизма действия КА на молекулярном уровне, для сравнения структуры и механизма действия КА и близкого природного фермента и для решения других вопросов этимологии, где КА использовались в качестве моделей. 4.РИБОЗИМЫ. До начала 80-х годов ХХ века основополагающей аксиомой биохимии было утверждение, что все метаболитические реакции происходят с надлежащими для обеспечения жизни скоростями только благодаря высокоэффективным специфическим катализаторам белковой природы - ферментам или энзимам. Однако в 1981-1982 г. группой американских биохимиков во главе с Т.Чехом было обнаружено, что в природе имеются виды РНК, которые, подобно белкам, обладают высокоспецифической каталитической активностью. Их субстратсвязывающий домен присоединяется к комплементарному участку РНКмишени с помощью водородных и, возможно, других связей, а каталитический расщепляет ее в специфическом сайте. Такие РНК-катализаторы были названы рибозимами. Открытие рибозимов имело огромное теоретическое и практическое значение для биохимии, молекулярной биологии и биотехнологии. Во-первых, был положен конец представлению об исключительной роли белков в катализе биохимических реакций. В настоящее время установлено, что рибозимы играют важнейшую роль в процессах синтеза и превращения РНК, например в процессах сплайсинга у эукариот и способны осуществлять практически весь спектр ферментативных реакций (рестрикция, сшивка, трансформации и др.). В настоящее время рибосому тоже принято рассматривать как рибозим. Действительно, все имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что синтез полипептидной цепи белка в рибосоме катализируется рибосомной РНК, а не рибосомными белками. Идентифицирован каталитический участок большой рибосомной РНК, ответственный за катализ реакции транспептидации, посредством которой осуществляется наращивание полипептидной цепи белка в процессе трансляции. Во-вторых, это позволило существенно пересмотреть взгляды на 16 механизмы возникновения жизни и на ранние этапы эволюции. В частности в последнее время активно обсуждается гипотеза “Мира РНК”, как противовес классической теории академика А.И.Опарина. В частности гипотеза “Мира РНК” позволяет решить проблему, на которую долго закрывали глаза практически все ученые- сторонники теории академика А.И.Опарина, а именно, каким образом случайно получившиеся, единичные, удачные белковые молекулы могли копироваться и воспроизводиться в коацерватной капле, а тем более передаваться коацерватам – потомкам. Накопление знаний о генетическом коде, нуклеиновых кислотах и биосинтезе белков привело к утверждению принципиально новой идеи о том, что все начиналось вовсе не с белков, а с РНК. Нуклеиновые кислоты являются единственным типом биологических полимеров, макромолекулярная структура которых, благодаря принципу комплементарности при синтезе новых цепей, обеспечивает возможность копирования собственной линейной последовательности мономерных звеньев, другими словами, возможность воспроизведения (репликации) полимера, его микроструктуры. Поэтому только нуклеиновые кислоты, но не белки, могут быть генетическим материалом, то есть воспроизводимыми молекулами, повторяющими свою специфическую микроструктуру в поколениях. По ряду соображений именно РНК, а не ДНК, могла представлять собой первичный генетический материал. Во-первых, и в химическом синтезе, и в биохимических реакциях рибонуклеотиды предшествуют дезоксирибонуклеотидам; дезоксирибонуклеотиды - продукты модификации рибонуклеотидов. Во-вторых, в самых древних, универсальных процессах жизненного метаболизма широко представлены именно рибонуклеотиды, а не дезоксирибонуклеотиды, включая основные энергетические носители типа рибонуклеозид-полифосфатов (АТФ и т.п.). В-третьих, репликация РНК может происходить без какого бы то ни было участия ДНК, а механизм редупликации ДНК даже в современном живом мире требует обязательного участия РНК-затравки в инициации синтеза цепи ДНК. В-четвертых, обладая всеми теми же матричными и генетическими функциями, что и ДНК, РНК способна также к выполнению ряда функций, присущих белкам, включая катализ химических реакций. Таким образом, имеются все основания рассматривать ДНК как более позднее эволюционное приобретение - как модификацию РНК, специализированную для выполнения функции воспроизведения и хранения уникальных копий генов в составе клеточного генома без непосредственного участия в биосинтезе белков. После того как были открыты каталитически активные РНК, идея первичности РНК в происхождении жизни получила сильнейший толчок к развитию, и была сформулирована концепция самодостаточного мира РНК, предшествовавшего современной жизни. Возможная схема возникновения “Мира РНК” представлена на рис.2. Абиогенный синтез рибонуклеотидов и их ковалентное объединение в олигомеры и полимеры типа РНК могли происходить приблизительно в тех же условиях и в той же химической обстановке, что постулировались для образования аминокислот и полипептидов. Недавно российскими учеными (Институт белка РАН) было экспериментально показано, что, по крайней мере, некоторые полирибонуклеотиды (РНК) в обычной водной среде способны к спонтанной рекомбинации, то есть обмену отрезками цепи, путем трансэстерификации. Обмен коротких отрезков цепи на длинные, должен приводить к удлинению полирибонуклеотидов (РНК), а сама подобная рекомбинация способствовать структурному многообразию этих молекул. Среди них могли возникать и каталитически 17 активные молекулы РНК. Даже крайне редкое появление единичных молекул РНК, которые были способны катализировать полимеризацию рибонуклеотидов или соединение (сплайсинг) олигонуклеотидов на комплементарной цепи как на матрице, означало становление механизма репликации РНК. Репликация самих РНКкатализаторов (рибозимов) должна была повлечь за собой возникновение самореплицирующихся популяций РНК. Продуцируя свои копии, РНК размножались. Неизбежные ошибки в копировании (мутации) и рекомбинации в самореплицирующихся популяциях РНК создавали все большее разнообразие этого мира. Таким образом, предполагаемый древний мир РНК - это самодостаточный биологический мир, в котором молекулы РНК функционировали и как генетический материал, и как энзимоподобные катализаторы. Рис. 2 гипотеза А.И.Опарина гипотеза ”Мир РНК” В настоящее время в природе известно только восемь рибозимов, обладающих достаточно низкой каталитической активностью по сравнению с белковыми катализаторами. Возможно раньше, рибозимов было гораздо больше, и они обеспечивали все многообразие необходимых для биосинтеза реакций, а затем они исчезли в процессе эволюционного отбора наиболее эффективных способов хранения и обработки наследственной информации. Что касается низкой эффективности катализа рибозимами, то у эволюции, было, достаточно времени и ее начальные стадии могли проходить очень медленно. В настоящее время в лабораториях разных стран проводятся работы по искусственному синтезу различных рибозимов. Наибольших успехов достигла группа во главе с Д.Бартелом. Используя разработанную ими селекс-технологию (метод эволюции искусственного мира РНК в пробирке) они синтезировали 65 новых рибозимов и сумели повысить их активность в десятки и сотни раз. 18 В третьих, рибозимы могут использоваться как высокоэффективные лекарственные препараты направленного действия для генной терапии. В большинстве методов генной терапии ех vivo и in vivo используются клонированные генетические конструкции, возмещающие функциональную форму белка, который не синтезируется в организме больного или синтезируется в дефектной форме. Однако многие заболевания человека (рак, воспаления, вирусные и паразитарные инфекции) связаны, напротив, с гиперпродукцией нормального белка. Для лечения таких состояний разработаны терапевтические системы с использованием олигонуклеотидов. Небольшой олигонуклеотид может либо гибридизоваться со специфическим геном или мРНК и снижать уровень транскрипции или трансляции, уменьшая тем самым количество синтезируемого белка, ответственного за патологию (“антигенные” или “антисмысловые” нуклеотиды) либо разрушать их (дезоксирибозим или рибозим). Создание «терапевтического» рибозима - сложный процесс. Связано это с трудностью получения больших количеств синтетических РНК и сохранения их в нативном состоянии в клетке-мишени. Модифицируя субстрат - связывающую последовательность нуклеотидов с помощью методов генной инженерии, получают рибозимы, расщепляющие специфические мРНК и подавляющие трансляцию белка, ответственного за развитие того или иного заболевания. Рибозимы, созданные методами генной инженерии, можно использовать для лечения рака и вирусных инфекций. Природных ДНК-ферментов (дезоксирибозимов) пока не обнаружено, но уже синтезированы олигодезоксинуклеотиды, обладающие каталитической активностью. Преимущество дезоксирибозимов состоит в том, что для их получения не нужно использовать экспрессирующий вектор: ДНК-ферменты можно просто упаковать в липосомы и доставить в клетку-мишень. Однако создание эффективных ДНК-ферментов находится пока на начальном этапе развития. 5.ИНЖЕНЕРНАЯ ЭНЗИМОЛОГИЯ, ЕЕ ЗАДАЧИ Инженерная энзимология — это отрасль биотехнологии, базирующаяся на использовании каталитических функций ферментов (или ферментных систем) в изолированном состоянии или в составе живых клеток для получения соответствующих целевых продуктов. Биообъект здесь - фермент (или комплекс ферментов). 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 годы XX в. 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. На практике обычно используют иммобилизованные ферменты (реже иммобилизованные клетки), благодаря чему стабилизируется и пролонгируется их 19 ферментативная активность. Иногда инженерную энзимологию отождествляют с биотехнологией. В этом содержится большая доля истины, так как все реакции в клетках катализируются ферментами. Однако слово "инженерная" привносит свою специфику, заключающуюся в акценте на создание конструкции (от франц. engin - машина), в данном случае - на конструирование биокатализаторов с заданными свойствами с последующим использованием в биотехнологическом процессе. В частности, методами белковой инженерии, сущность которых состоит в изменении первичной структуры природной молекулы фермента посредством химической модификации самого энзима или его гена, удается принципиально трансформировать структуру активного центра и его функцию, модулировать субстратную специфичность и физико-химические свойства фермента. Так, замена остатка глутамина-102 в молекуле лактатдегидрогеназы на аргинин превратила фермент в высокоактивную малатдегидрогеназу. Описанным способом получены термостабильные формы лизоцима Т-4 и субтилизина (каталитическая константа субтилизина изменена в 100 раз), созданы гибридные формы ферментной системы, ценной в иммуноферментном анализе, сочетающие в себе свойства β-галактозидазы и β -галактокиназы. Многие проблемы технологии синтеза органических соединений, пищевой и медицинской промышленности, мониторинга человека и окружающей среды, защиты окружающей среды, энергетики не могут быть решены без использования методов современной инженерной энзимологии. Важным этапом развития инженерной энзимологии стала разработка способов получения и использования иммобилизованных ферментов. 5.1.ИММОБИЛИЗОВАННЫЕ ФЕРМЕНТЫ Иммобилизованными ферментами называются ферменты, искусственно связанные с нерастворимым носителем, но сохраняющие свои каталитические свойства. Еще в 1916 г. Дж. Нельсон и Е. Гриффин показали, что сахароза, сорбированная на угле, сохраняла свою каталитическую активность, но лишь в 1953 г. Н. Грубхофер и Д. Шлейт впервые осуществили ковалентные связывания амилазы, пепсина, РНКазы и карбоксипептидазы с нерастворимым носителем. В 1971 г. на первой конференции по инженерной энзимологии был узаконен термин «иммобилизованные ферменты». Однако в понятие «иммобилизация» в настоящее время вкладывают более широкий смысл, чем связывание на нерастворимом носителе, а именно - полное или частичное ограничение свободы движения белковых молекул. Иммобилизованные ферменты имеют ряд преимуществ в сравнении со свободными молекулами. Прежде всего, такие ферменты, представляя собой гетерогенные катализаторы, легко отделяются от реакционной среды, могут использоваться многократно и обеспечивают непрерывность каталитического процесса. Кроме того, иммобилизация ведет к изменению свойств фермента: субстратной специфичности, устойчивости, зависимости активности от параметров среды. Иммобилизованные ферменты долговечны и в тысячи и десятки тысяч раз 20 стабильнее свободных энзимов. Так, происходящая при температуре 65 °С термоинактивация лактатдегидрогеназы, иммобилизованной в 60 %-м полиакриламидном геле, замедлена в 3600 раз по сравнению с нативным ферментом. Все перечисленное обеспечивает высокую экономичность, эффективность и конкурентоспособность технологий, использующих иммобилизованные ферменты. 5.1.1.Носители для иммобилизации ферментов По Дж. Порату (1974), идеальные материалы, используемые для иммобилизации ферментов, должны обладать следующими основными свойствами: нерастворимостью; высокой химической и биологической стойкостью; значительной гидрофильностью; достаточной проницаемостью, как для ферментов, так и для коферментов, субстратов и продуктов реакции; способностью носителя легко активироваться (переходить в реакционноспособную форму). Естественно, ни один из используемых в настоящее время в качестве носителя материал не отвечает полностью перечисленным требованиям. Тем не менее, существует широкий набор носителей, пригодных для иммобилизации определенных энзимов в конкретных условиях. В зависимости от природы носители делятся на органические и неорганические материалы. Органические полимерные носители. Иммобилизация многих ферментов осуществляется на полимерных носителях органической природы. Существующие органические полимерные носители можно разделить на два класса: природные и синтетические полимерные носители. В свою очередь, каждый из классов органических полимерных носителей подразделяется на группы в зависимости от их строения. Среди природных полимеров выделяют белковые, полисахаридные и липидные носители, а среди синтетическихполиметиленовые, полиамидные и полиэфирные. К преимуществам природных носителей следует отнести их доступность, полифункциональность и гидрофильность, а к недостаткам - биодеградируемость и достаточно высокую стоимость. Из полисахаридов для иммобилизации наиболее часто используют целлюлозу, декстран, агарозу (агар) и их производные. Для придания химической устойчивости линейные цепи целлюлозы и декстрана поперечно сшивают эпихлоргидрином. В полученные сетчатые структуры довольно легко вводят различные ионогенные группировки. Химической модификацией крахмала сшивающими агентами (формальдегид, глиоксаль, глутаровый альдегид) синтезирован новый носитель - губчатый крахмал, обладающий повышенной устойчивостью к гликозидазам. Из природных аминосахаридов в качестве носителей для иммобилизации применяют хитин, который в значительных количествах накапливается в виде отходов в процессе промышленной переработки крабов и креветок. Хитин химически стоек и имеет хорошо выраженную пористую структуру. Среди белков практическое применение в качестве носителей нашли структурные протеины, такие, как кератин, фиброин, коллаген и продукт переработки коллагена - желатина. Эти белки широко распространены в природе, 21 поэтому доступны в значительных количествах, дешевы и имеют большое число функциональных групп для связывания фермента. Белки способны к биодеградации, что очень важно при конструировании иммобилизованных ферментов для медицинских целей. К недостаткам белков как носителей в этом случае следует отнести их высокую иммуногенность. Синтетические полимерные носители. Благодаря разнообразию и доступности материалы этой группы широко используются как носители для иммобилизации. К ним относятся полимеры на основе стирола, акриловой кислоты, поливинилового спирта; полиамидные и полиуретановые полимеры. Большинство синтетических полимерных носителей обладают механической прочностью, а при образовании обеспечивают возможность варьирования в широких пределах величины пор, введения различных функциональных групп. Некоторые синтетические полимеры могут быть произведены в различных физических формах (трубы, волокна, гранулы). Все эти свойства полезны для разных способов иммобилизации ферментов. Носители неорганической природы. В качестве носителей наиболее часто применяют материалы из стекла, глины, керамики, графитовой сажи, силикагеля, а также силохромы, оксиды металлов. Их можно подвергать химической модификации, для чего носители покрывают пленкой оксидов алюминия, титана, гафния, циркония или обрабатывают органическими полимерами. Основное преимущество неорганических носителей - легкость регенерации. Подобно синтетическим полимерам неорганическим носителям можно придать любую форму и получать их с любой степенью пористости. Таким образом, к настоящему времени создано огромное число разнообразных носителей для иммобилизации ферментов. Однако для каждого индивидуального фермента, используемого в конкретном технологическом процессе, необходимо подбирать оптимальные варианты, как носителя, так и условий и способов иммобилизации. 5.1.2.Методы иммобилизации ферментов Существуют два принципиально различных метода иммобилизации ферментов: без возникновения ковалентных связей между ферментом и носителем Рис.3. Методы иммобилизации ферментов (ф-молекула фермента) 22 (физические методы иммобилизации) и с образованием ковалентной связи между ними (химические методы иммобилизации). Каждый из этих методов осуществляется разными способами. Физические методы иммобилизации ферментов реализуются посредством адсорбции фермента на нерастворимом носителе, путем включения энзимов в поры поперечносшитого геля, в полупроницаемые структуры или двухфазные системы. Адсорбция ферментов на нерастворимых носителях. При адсорбционной иммобилизации белковая молекула удерживается на поверхности носителя за счет электростатических, гидрофобных, дисперсионных взаимодействий и водородных связей. Адсорбция была первым методом иммобилизации ферментов (Дж. Нельсон, Э.Гриффин, 1916), но и сейчас не потеряла своего значения и стала наиболее широко распространенным способом получения иммобилизованных ферментов в промышленности. В литературе описано получение адсорбционным способом более 70 иммобилизованных ферментов с использованием главным образом таких носителей, как кремнезем, активированный уголь, графитовая сажа, различные глины, пористое стекло, полисахариды, синтетические полимеры, оксиды алюминия, титана и других металлов. Последние применяются наиболее часто. Эффективность адсорбции молекулы белка на носителе определяется удельной поверхностью (плотностью центров сорбции) и пористостью носителя. Процесс адсорбции ферментов на нерастворимых носителях отличается крайней простотой и достигается при контакте водного раствора фермента с носителем (статистическим способом, при перемешивании, динамическим способом с использованием колонок). С этой целью раствор фермента смешивают со свежим осадком, например, гидроксида титана, и высушивают в мягких условиях. Активность фермента при таком варианте иммобилизации сохраняется практически на 100 %, а удельная концентрация белка достигает 64 мг на 1 г носителя. К недостаткам адсорбционного метода следует отнести невысокую прочность связывания фермента с носителем. При изменении условий иммобилизации могут происходить десорбция фермента, его потеря и загрязнение продуктов реакции. Существенно повысить прочность связывания фермента с носителем может предварительная его модификация (обработка ионами металлов, полифункциональными агентами - полимерами, белками, гидрофобными соединениями, монослоем липида и пр.). Иногда, наоборот, модификации подвергается молекула исходного фермента, однако зачастую это ведет к снижению его активности. Иммобилизация ферментов путем включения в гель. Способ иммобилизации ферментов путем включения в трехмерную структуру полимерного геля широко распространен благодаря своей простоте и уникальности. Метод применим для иммобилизации не только индивидуальных ферментов, но и мультиэнзимных комплексов и даже интактных клеток. Иммобилизацию ферментов в геле осуществляют двумя способами. В первом случае фермент вводят в водный раствор мономера, а затем проводят полимеризацию, в результате которой возникает пространственная структура полимерного геля с включенными в его ячейки молекулами фермента. Во втором случае фермент вносят в раствор уже готового полимера, который впоследствии переводят в гелеобразное со23 стояние. Для первого варианта используют гели полиакриламида, поливинилового спирта, поливинилпирролидона, силикагеля, для второго - гели крахмала, агар-агара, каррагинана, агарозы, фосфата кальция. Иммобилизация ферментов в гелях обеспечивает равномерное распределение энзима в объеме носителя. Большинство гелевых матриц обладает высокой механической, химической, тепловой и биологической стойкостью и обеспечивает возможность многократного использования фермента, включенного в его структуру. Однако метод непригоден для иммобилизации ферментов, действующих на водонерастворимые субстраты. Иммобилизация ферментов в полупроницаемые структуры. Сущность этого способа иммобилизации заключается в отделении водного раствора фермента от водного раствора субстрата с помощью полупроницаемой мембраны, пропускающей низкомолекулярные молекулы субстратов и кофакторов, но задерживающей большие молекулы фермента. Разработано несколько модификаций этого метода, из которых интерес представляет микрокапсулирование и включение ферментов в липосомы. Первый способ предложен Т.Чангом в 1964 г. и состоит в том, что водный раствор фермента включается внутрь замкнутой микрокапсулы, стенки которой образованы полупроницаемым полимером. Один из механизмов возникновения мембраны на поверхности водных микрокапсул фермента заключается в реакции межфазной поликонденсации двух соединений, одно из которых растворено в водной, а другое — в органической фазе. Примером может служить образование на поверхности раздела фаз микрокапсулы, получаемой путем поликонденсации гексаметилендиамина-1,6 (водная фаза) и галогенангидрида себациновой кислоты (органическая фаза): -HCl H2N-(CH2)6-NH2 + СlOС-(СН2)8-СОС1 → HN-(CH2)6-NH - СО-(СН2)8-СОРазмер получаемых капсул составляет десятки или сотни микрометров, а толщина мембраны - сотые доли микрометра. Достоинства метода микрокапсулирования - простота, универсальность, возможность многократного использования нативного фермента (фермент может быть отделен от непрореагировавшего субстрата и продуктов реакции процедурой простого фильтрования). Особенно существенно, что методом микрокапсулирования могут быть иммобилизованы не только индивидуальные ферменты, но и мультиэнзимные комплексы, целые клетки и отдельные фрагменты клеток. К недостаткам метода следует отнести невозможность инкапсулированных ферментов осуществлять превращения высокомолекулярных субстратов. Близким к инкапсулированию методом иммобилизации можно считать включение водных растворов ферментов в липосомы, представляющие собой сферические или ламеллярные системы двойных липидных бислоев. Впервые данный способ был применен для иммобилизации ферментов Дж. Вайсманом и Дж. Сессом в 1970 г. Для получения липосом из растворов липида (чаще всего лецитина) упаривают органический растворитель. Оставшуюся тонкую пленку липидов диспергируют в водном растворе, содержащем фермент. В процессе диспергирования происходит самосборка бислойных липидных структур липосомы, содержащих включенный раствор фермента. 24 Ферменты, иммобилизованные путем включения в структуру липосом, используют преимущественно в медицинских и научных целях, ибо значительная часть ферментов в клетке локализована в составе липидного матрикса биологических мембран, поэтому изучение липосом имеет большое значение для понимания закономерностей процессов жизнедеятельности в клетке. Другие приемы иммобилизации ферментов, основанные на физических методах, менее распространены по сравнению с рассмотренными выше. Химические методы иммобилизации ферментов. Иммобилизация ферментов путем образования новых ковалентных связей между ферментом и носителем - наиболее массовый способ получения промышленных биокатализаторов. В отличие от физических методов этот способ иммобилизации обеспечивает прочную и необратимую связь фермента с носителем и часто сопровождается стабилизацией молекулы энзима. Однако расположение фермента относительно носителя на расстоянии одной ковалентной связи создает стерические трудности в осуществлении каталитического процесса. Фермент отделяют от носителя с помощью вставки (сшивка, спейсер), в роли которой чаще всего выступают бифункциональные и полифункциональные агенты (бромциан, гидразин, сульфурилхлорид, глутаровый диальдегид и др.). Например, для выведения галактозилтрансферазы из микроокружения носителя между ним и ферментом вставляют последовательность —СН2—NH—(СН2)5—СО—. В этом случае структура иммобилизованного фермента включает носитель, вставку и фермент, соединенные между собой ковалентными связями. Рис.4. Схема иммобилизации фермента химическим методом Принципиально важно, чтобы в иммобилизации фермента участвовали функциональные группы, не существенные для его каталитической функции. Так, гликопротеины обычно присоединяют к носителю через углеводную, а не через белковую часть молекулы фермента. Число методических приемов, разработанных для осуществления ковалентной иммобилизации ферментов, исключительно велико. Все методы химической иммобилизации классифицируют в зависимости от природы реакционной группы носителя, вступающей во взаимодействие с молекулой фермента. Ниже представлен ряд примеров, иллюстрирующих некоторые способы химической иммобилизации ферментов. Иммобилизация ферментов на носителях, обладающих гидроксогруппами. Наиболее распространенным методом образования ковалентной связи между ферментом и полисахаридным носителем или синтетическим диольным соединением является бромциановый метод, который был предложен Р.Аксеном, Дж. Поратом и С.Эрнбаком в 1967 г. При обработке носителя бромцианом возникают реакционноспособные цианаты и имидокарбонаты, которые при 25 взаимодействии с нуклеофильными производные изомочевины и уретанов: аминогруппами фермента образуют Иммобилизация ферментов носителях, обладающих аминогруппами. Первичные аминогруппы носителя, связанные с ароматическим кольцом, предварительно превращают в соли диазония, которые затем подвергают разнообразным реакциям сочетания. В реакции сочетания вступают фенольные, имидазольные, аминные, гуанидиновые, тиольные группы белков. Так, в щелочной среде фенольные радикалы тирозина образуют прочные азо-соединения, в составе которых белок связан с носителями: Существенно, что п-аминофенильные функции могут быть легко введены в разнообразные носители. Иммобилизация на носителях, обладающих активированными производными карбоксильной группы. Наиболее часто для соединения аминогрупп белка с ацильными группировками носителя используют ангидриды, галогенангидриды, активированные эфиры и другие производные карбоновых кислот. Например, Реакционная способность производных карбоновых кислот в реакциях ацилирования аминогрупп фермента уменьшается от галогенангидридов до эфиров. Иммобилизация на носителях, обладающих сульфгидрилъными группами. Сульфгидрильные группы носителя и фермента легко окисляются с образованием дисульфидных связей под действием кислорода воздуха: 26 Иммобилизация путем химического присоединения биокатализатора к носителю отличается высокой эффективностью и прочностью связи. Несмотря на это, методы ковалентной иммобилизации ферментов все еще малодоступны для промышленного использования в связи со сложностью и дороговизной их применения. Однако они остаются незаменимыми инструментами в практике проведения научных и лабораторных исследований по созданию энзимов с контролируемыми свойствами. 5.2.ИММОБИЛИЗАЦИЯ КЛЕТОК Методы иммобилизации универсальны для всех видов иммобилизованных биокатализаторов - индивидуальных ферментов, клеток, субклеточных структур, комбинированных препаратов. Наряду с иммобилизацией ферментов в последнее время все большее внимание уделяется иммобилизации клеток и субклеточных структур. Это объясняется тем, что при использовании иммобилизованных клеток отпадает необходимость выделения и очистки ферментных препаратов, применение кофакторов; создается возможность получения полиферментных систем, осуществляющих многостадийные непрерывно действующие процессы. В промышленных процессах чаще используют покоящиеся клетки. Действительно, многие хозяйственно-ценные продукты синтезируются главным образом в стационарной фазе развития клеточных культур. Растущие клетки нарушают структуру носителя. Образующиеся при делении дочерние клетки, покидая носитель, загрязняют целевой продукт. Для подавления роста иммобилизованных клеток растений используют дефицит фитогормонов, а рост клетки бактерий тормозят добавлением антибиотиков. Иммобилизованные клетки микроорганизмов применяют для биотрансформации органических соединений, разделения рацемических смесей, гидролиза ряда сложных эфиров, инверсии сахарозы, восстановления и гидроксилирования стероидов. Иммобилизованные хроматофоры используют в лабораторных установках для синтеза АТФ, а пурпурные мембраны - для создания искусственных фотоэлектрических преобразователей - аналогов солнечных батарей. Разрабатывается реактор на основе иммобилизованных клеток дрожжей для получения этанола из мелассы, в котором дрожжи сохраняли бы способность к спиртовому брожению в течение 1800 ч. Из более чем 2000 известных в настоящее время ферментов иммобилизована и используется для целей инженерной энзимологии примерно десятая часть (преимущественно оксидоредуктазы, гидролазы и трансферазы). Для осуществления химических процессов с помощью иммобилизованных ферментов применяют колоночные, трубчатые, пластинчатые и танкерные реакторы разного объема и производительности. Иммобилизованные ферментные системы функционируют в биореакторе в виде неподвижной фазы, через которую протекает среда с субстратом, подлежащим химическому превращению (гетерогенный катализ). В таких реакторах наряду с непрерывным режимом используется и периодический. Для эффективного перемешивания и газообмена биореактор снабжают мешалкой. Повреждающее действие мешалки на 27 биокатализатор устраняют, закрепляя определенным образом его гранулы. Например, в биореакторе «корзиночного» типа мешалка вращается в полом цилиндре из сетчатой структуры (корзина), в ячейках которой закреплен иммобилизованный фермент. Во внутреннем объеме трубчатых реакторов рыхло расположены полые волокна, заполненные биокатализатором. Степень превращения субстрата в продукт (например, фумарата аммония в аспартат) в таких реакторах достигает 90 %. 6.ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИММОБИЛИЗОВАННЫХ ФЕРМЕНТОВ И КЛЕТОК. Сочетание уникальных каталитических свойств энзимов с преимуществами иммобилизованных ферментов как гетерогенных катализаторов позволило создать новые промышленные технологические процессы. Следует отметить, что все они относятся к производству пищевых продуктов и лекарственных препаратов. В настоящее время в мире разработаны следующие крупномасштабные производства с использованием иммобилизованных ферментов и клеток: 1. Получение глюкозофруктозных сиропов. 2. Получение оптически активных L-аминокислот из их рацемических смесей. 3. Синтез L-аспарагиновой кислоты 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. В качестве примера рассмотрим некоторые из них. 6.1.Получение глюкозофруктозных сиропов. Фруктоза (фруктовый, плодовый или медовый сахар) - важнейший в физиологическом и технологическом отношении природный моносахарид. Превращаясь в печени и кишечнике млекопитающих в глюкозу, фруктоза включается в пластический и энергетический обмен клетки. Она в 2,5 раза слаще глюкозы и в 1,7 раза слаще тростникового сахара (сахароза), благодаря чему фруктоза - менее калорийный пищевой продукт по сравнению с последними. В отличие от глюкозы обмен фруктозы не контролируется инсулином, поэтому фруктозный сахар может потребляться больными диабетом. Фруктоза практически не вызывает кариеса зубов. В смеси с глюкозой фруктоза не кристаллизуется, поэтому широко используется для производства кондитерских изделий. Объем производства сахарозы за последние 100 лет возрос в 15 раз и составляет, по разным оценкам, 30 - 40 кг в год на человека. Однако, несмотря на явные преимущества использования фруктозы, первая промышленная установка для превращения глюкозы во фруктозу с помощью иммобилизованной глюкоизомеразы была запущена лишь в 1973 г. (компания «Клинтон Корн», США). Исходным сырьем для этого процесса служит глюкоза, которую получают 28 при гидролизе кукурузного или картофельного крахмала в присутствии минеральных кислот. Для конструирования промышленного биокатализатора глюкозоизомеразу сорбируют на пористых неорганических носителях или ионообменных смолах. Во многих случаях используют иммобилизованные клетки разного происхождения (Aspergillus niger, A. oryzae, Streptomyces phaeochromogenes, S. olivaceus, S. venezuelae). Коммерческие препараты иммобилизованной глюкоизомеразы имеют вид гранул, шариков, волокон или аморфной массы. Наиболее эффективными биореакторами для получения фруктозы признаны аппараты колонного типа высотой около 5 м, в которых по сравнению с реакторами перемешивания расход фермента минимален. Производительность такого реактора варьирует от 600 до 9000 кг глюкозофруктозного сиропа на 1 кг иммобилизованного фермента в зависимости от чистоты исходного сырья, а время полуинактивации катализатора - 20 - 50 суток. Возникающий в результате каталитического процесса глюкозофруктозный сироп содержит 42 —45 % фруктозы, около 51 % глюкозы, небольшое количество олигосахаридов и по сладости соответствует инвертному сахару, получаемому при гидролизе сахарозы. Эти смеси постепенно вытесняют инвертированный сахар в промышленности и медицине. Глюкозофруктозную смесь широко применяют для производства тонизирующих напитков, консервированных фруктов, кондитерских изделий, хлеба, мороженого и пр. Экономические расчеты показали, что производство глюкозофруктозных сиропов с использованием иммобилизованной глюкоизомеразы в 1,5 раза выгоднее получения сахарозы из сахарной свеклы по традиционной технологии. Благодаря этому обстоятельству производство глюкозофруктозных сиропов в мире постоянно растет. Так, в 1980 г. 10 % потребляемого населением Японии сахара заменено на глюкозофруктозную смесь. В США эта доля к 2000 г. достигла уже 40%. 6.2.Биотрансформация других углеводов. Кроме изомеризации углеводов, важную роль также играют процессы микробиологической окислительной и восстановительной трансформации углеводов. Окислительная трансформация представляет собой окисление полиолов, например, маннита во фруктозу или сорбита в сорбозу. Окислению подвергаются все полиолы (полиспирты), обладающие двумя вторичными гидроксилами в цис-положении, прилежащими к терминальной первичной спиртовой группе, причем окисляется атом углерода, смежный с терминальным. Окисление полиолов получило название кетогенной ферментации. В промышленном масштабе (при использовании свободных клеток) применяются два процесса окисления полиолов: превращение глицерина в диоксиацетон и превращение D-сорбита в L-сорбозу (одна из стадий синтеза аскорбиновой кислоты). Диоксиацетон (1.3-дигидрокси-2-пропанон) используется для обработки изделий из целлюлозных волокон для придания им несминаемости, устойчивости к стирке и прочих важных эксплуатационных свойств; сложные эфиры диоксиацетона являются репеллентами; из диоксиацетона и аминокислот синтезируют пищевые и косметические красители; производные диоксиацетона применяют как консерванты, эмульгаторы, пластификаторы, фунгициды; наконец, диоксиацетон широко используют в медицине. 29 Для промышленного производства диоксиацетона применяется культура Acetobacter suboxydans (НПО "Биолар"). Известны лабораторные методы реализации процесса с помощью иммобилизованных клеток (как А. suboxydans, так и Cluconobacter oxydans), когда иммобилизацию проводят в ПААГ или Саальгинате. Окисление D-сорбита в L-сорбозу в промышленных условиях также осуществляют с помощью клеток А. suboxydans или G. suboxydans. L-сорбозу получают с 93%-ным выходом из 15-20 %-ных растворов D-сорбита в аэробных условиях. В лабораторных условиях окисление D-сорбита в L-сорбозу проводят с помощью бактерий, иммобилизованных включением в каррагинановый гель, а также в ПААГ. Осуществлено также окисление иммобилизованными клетками рибита и маннита в соответствующие кетоны. Следует, однако, отметить существенное снижение скорости окислительных процессов при использовании иммобилизованных в гель клеток по сравнению со свободными. Восстановительная трансформация углеводов заключается в превращении альдоз или кетоз в полиолы. Промышленно значимым является процесс получения ксилита из ксилозы, поскольку ксилит используется в пищевой промышленности и служит заменителем сахара. Для восстановления ксилозы применяют дрожжи C.utilis, которые были иммобилизованы в ПААГ. Еще один класс реакций, касающийся углеводов и приводящий к получению полезных продуктов, представляют гидролитические реакции. Важную роль играют следующие процессы: гидролиз лактозы, сахарозы, раффинозы и целлобиозы. Гидролиз лактозы с получением глюкозы и галактозы и гидролиз сахарозы с получением глюкозы и фруктозы являются хорошими примерами биотехнологических процессов, основанных на использовании иммобилизованных биокатализаторов, внедренных в широком масштабе. Лактоза содержится в молоке и молочной сыворотке, причем определенная часть населения не может употреблять молоко именно из-за наличия в нем лактозы, но усваивает (без аллергических эффектов) безлактозное молоко. Гидролиз же лактозы в молочной сыворотке, содержащей около 5% лактозы в жидкой и около 75% в высушенной сыворотке, открывает новые возможности получения сахаристых веществ из нетрадиционного сырья. Следует отметить, что технология гидролиза лактозы основана на применении иммобилизованных грибных или дрожжевых ферментов лактозидаз, в частности опытные и опытно-промышленные установки существуют в РФ, США, Англии, Франции. Тем не менее, уже созданы и промышленные установки для гидролиза лактозы с помощью иммобилизованных клеток, обладающих -галактозидазной активностью. Одна из них разработана фирмой “NOVO” (Дания). В ней используются клетки Bacillus sp., иммобилизованные за счет поперечной сшивки глутаровым альдегидом. В 30 лабораторных условиях иммобилизацию проводили с помощью адсорбции на полифениленоксиде (Caldariella acidophila), включением в ПААГ, агар, волокна коллагена (Е.alcalescens, E.coli, K.lactis, L.bulgaricus), адсорбцией на полиуретанах, стекле, поликарбонате, полистироле, хитозане (K.lactis). Инвертный сахар (почти эквивалентную смесь глюкозы и фруктозы) получают из сахарозы с помощью иммобилизованного фермента инвертазы на уровне пилотных установок в РФ и США (компания Snam Progesty). В настоящее время существуют лабораторные разработки по получению биокатализаторов в виде иммобилизованных в ПААГ, или желатине дрожжей (S.cerevisiae), не уступающие по эффективности иммобилизованным ферментам. Раффиноза, или галактозилсахароза, является наиболее распространенным после сахарозы олигосахаридом, встречающимся в свободном виде в сахарной свекле и других растениях (при ферментативном гидролизе раффинозы образуется галактоза и сахароза). Американская компания Great Western Sugar использовала в технологии иммобилизованный биокатализатор, представляющий собой клетки Vortierella vinacea, сшитые глутаровым альдегидом, обладающие галактозидазной активностью. Гидролиз целлобиозы осуществлен иммобилизованными в Са-альгинате микроорганизмами с целлобиазной активностью. Этот биокатализатор может быть использован, например, при реализации процессов ферментативного осахаривания целлюлозы, когда гидролизат содержит целлобиозу. К микробным продуктам, синтезируемым в больших количествах, относятся полисахариды - декстраны, леваны, маннаны, ксантаны. Декстраны продуцируются при использовании сахарозы в качестве субстрата бактериями Leuconostoc mesenteroidis, обладающими декстрансахарозной (или трансглюкозидазной) активностью. Молекулы декстранов построены из остатков глюкозы с -1.6-связью, имеют небольшое количество ветвлений, частично гидрализованные декстраны с молекулярной массой 40-80 тыс. служат заменителями плазмы крови, модифицированные декстраны также используются в медицине, поперечно-сшитые декстраны (сефадексы) применяются в качестве молекулярных сит для гельфильтрации. Ксантаны - это смолы, синтезируемые Xanthamonas campestis при анаэробном росте на глюкозной среде. Ксантаны представляют собой разветвленные полимеры, состоящие из остатков глюкозы, маннозы и глюкуроновой кислоты, некоторые из которых имеют ацетильную (СН3СО) или пируватную (СН3СОСО) группы. Ксантаны добавляют ко многим пищевым продуктам в качестве загустителей и стабилизаторов, используют как красители в текстильной промышленности и полиграфии, в производстве косметических и фармацевтических препаратов, а также при бурении нефтяных скважин в качестве добавки к буровому шламу, поскольку они обладают свойствами ПАВ. Для получения микробных полисахаридов используют, как правило, свободные клетки, однако имеется опыт применения и иммобилизованных 31 клеток. Иммобилизацию проводят адсорбцией на полиуретане, песке, активированном угле, силохромах. Установлено, в частности, что целесообразно осуществлять синтез полисахаридов в условиях периодической смены среды (азотсодержащей и безазотистой). Введение безазотистой среды приводит к дополнительному закреплению клеток на носителе, так что они длительное время сохраняются в адсорбированном состоянии, однако, биосинтетическая активность клеток при этом снижается. При введении в реактор азотсодержащей среды сохраняется жизнеспособность клеток и восстанавливается уровень биосинтеза. В случае биосинтеза полисахаридов иммобилизация путем адсорбции более целесообразна, чем включением в гели, однако при адсорбционной иммобилизации велика вероятность десорбции клеток и смешивания их с целевым продуктом, причем в случае полисахаридов отделение целевого продукта от клеток затруднено. Поэтому метод, основанный на периодической смене сред играет в случае биосинтеза полисахаридов важную роль. 6.3. Получение L - аминокислот из их рацемических смесей. Наряду с микробиологическими способами важное значение имеют химические методы промышленного получения природных аминокислот, в том числе незаменимых. Однако в результате химических реакций, используемых для синтеза аминокислот, содержащих асимметрические атомы углерода, с одинаковой скоростью образуются как D-, так и L-стереоизомеры, т. е. всегда возникает рацемическая смесь. Между тем в живых клетках обмену подвергаются лишь L-аминокислоты. Разделение рацемических смесей на составляющие их оптические изомеры (представляющее труднейшую задачу) явилось первым промышленным процессом с использованием иммобилизованных ферментов. Этот процесс был осуществлен в Японии в 1969 г. (компания «Танабе Сейяку») с помощью аминоацилазы, иммобилизованной на ДЕАЕ-целлюлозе. В качестве исходных соединений в данном превращении используют N-ацилированные производные D-,L-аминокислот, получаемые с помощью химического синтеза. Вследствие своей стереоспецифичности аминоацилаза гидролизует лишь Nацил-L-стереоизомер, отщепляя от него ацильный радикал, в результате чего растворимость образующейся L-аминокислоты резко возрастает и ее легко можно отделить от своего антипода физико-химическими методами. При нагревании оставшаяся N-ацил-D-аминокислота рацемизируется, т.е. превращается в исходную смесь, которая вновь подвергается воздействию фермента: Аминоацилаза строго специфична к структуре только ацильной части субстрата, поэтому одна и та же установка с иммобилизованным ферментом используется для получения различных аминокислот, в том числе L-валина, Lметионина, L-фенилаланина и L-триптофана. Время полуинактивации иммобилизованного энзима составляет 65 суток; на японских предприятиях он используется без замены более 8 лет и обеспечивает снижение стоимости производства аминокислот на 40 % по сравнению с технологией, где применяются свободные молекулы фермента. 6.4.Получение L-аспарагиновой кислоты. Аспарагиновая кислота широко употребляется в качестве пищевой добавки (подсластитель и подкислитель). Первая в мире промышленная установка для синтеза L32 аспарагиновой кислоты из получаемого химическим путем фумарата аммония была запущена в 1973 г. в Японии (фирма «Танабе Сейяку»); в ней использованы иммобилизованные в полиакриламидном геле клетки кишечной палочки Е. coli, содержащие аспартат-аммиаклиазу. Полиакриламидный гель с иммобилизованными микробными клетками формуют в виде кубиков размером 2 - 3 мм, которыми заполняют колонку объемом 1 м3. Через колонку пропускают раствор фумарата аммония. При подкислении выходящего из колонки элюата до рН 2,8 и охлаждении до 150С из него выкристаллизовывается аспарагиновая кислота в виде препарата 100 %-ой чистоты. Процесс получения аспартата полностью автоматизирован и осуществляется в непрерывном режиме. Производительность процесса - 1700 кг чистой аспарагиновой кислоты в сутки на |реактор. Иммобилизованные клетки кишечной палочки сохраняют активность фермента на 80 % в течение 120 дней и на 50 % в течение 600 дней работы реактора, в то время как свободные клетки — всего на протяжении 10 дней с уровнем активности 25 % от исходной. В Армении был налажен промышленный процесс получения аспартата особой степени чистоты с использованием иммобилизованной аспартат-аммиак-лиазы на базе научных разработок химфака МГУ им. М. В.Ломоносова (1974). 6.5. Получение L-аланина. В настоящее время основной промышленный способ получения L-аланина - ферментативное декарбоксилирование Lаспарагиновой кислоты: HOOC CH2 Àñï àðòàò--äåêàðáî êñèëàçà CH COOH NH2 H3C CH COOH CO2 NH2 Процесс превращения L-аспартата в L-аланин катализируется аспартат-βдекарбоксилазой ряда микроорганизмов (Pseudomonas dacunhae, Alcaligenes faecalis, Achromobacter pestifier), иммобилизованных в полиакриламидном геле, каррагинане или полиуретане. Установка, разработанная японской фирмой «Танабе Сейяку», производит этим способом 10 тонн аланина в месяц. Усовершенствование процесса связано с использованием в качестве сырья фумарата аммония. В данном случае процесс получения L-аланина становится двустадийным и реализуется в двух последовательно расположенных реакционных колонках. На первом этапе фумарат аммония превращается в Lаспарагиновую кислоту, которая без выделения из реакционной среды на втором этапе претерпевает β-декарбоксилирование с образованием аланина. С помощью иммобилизованных клеток Serratia marcescens из треонина и глюкозы синтезируют L-изолейцин, а с помощью иммобилизованных клеток Corynebacterium glutamicum - L-глутаминовую кислоту из L-глюкозы; Lтриптофан - из индола; L-орнитин - из L-аргинина. Таким образом расширение производства аминокислот стало возможным благодаря изменению технологии получения промышленных биокатализаторов и снижению затрат при их производстве. 6.6.Получение органических кислот. Органические кислоты и их соли широко используются в пищевой, фармацевтической, текстильной, кожевенной, химической, металлургической и других отраслях промышленности, 33 поэтому их получение является важным направлением крупнотоннажного микробиологического синтеза. Многие кислоты можно производить как химическим, так и микробиологическим путем, причем первый путь более предпочтителен, когда кислоты предполагается использовать для технических нужд, второй путь - для целей пищевой промышленности и медицины. Источником углерода для микроорганизмов-продуцентов органических кислот являются углеводы, органические кислоты, спирты, алканы. Кислоты часто секретируются клетками, когда рост культуры в силу определенных причин тормозится и переходит в стационарную фазу. Фактором, вызывающим прекращение роста микробных культур, может быть недостаток минеральных компонентов или витаминов. В случае получения органических кислот рост культур лимитируют источником азота, используя при этом избыточное количество источника углерода (и энергии). Интенсивный синтез кислот в стационарной фазе роста после исчерпывания дефицитного компонента продолжается до тех пор, пока в среде присутствует источник углерода и пока клетки продуцента жизнеспособны. Это в принципе позволяет надеяться на широкое применение иммобилизованных клеточных препаратов для получения органических кислот. Хотя свойство продуцировать ту или иную органическую кислоту широко распространено среди микроорганизмов, на практике для получения кислот используют специально отобранные или мутантные высокопродуктивные штаммы, не синтезирующие побочных продуктов. В этих случаях выходы органических кислот - по существу, монопродуктов процесса - являются высокими: для молочной кислоты 90, глюконовой - 90-95, уксусной - 90-98, лимонной - 85%. В настоящее время семь органических кислот производятся в промышленных масштабах, причем лимонную, глюконовую, кетоглюконовую, итаконовую и яблочную кислоты получают только микробиологическим путем, а молочную и уксусную - химическим и микробиологическим методами. Важнейшей для промышленности органической кислотой является уксусная. Она используется при производстве волокон, фармацевтических препаратов, инсектицидов, в пищевой промышленности, как субстрат для получения аминокислот. Микробиологический способ экономически оправдан в случае получения пищевого уксуса (окисление этанола ацетобактериями). Производство столового уксуса (10%-ная кислота) составляет в мире 8-10 млн. м3 в год. Техническую уксусную кислоту получают химическим синтезом (карбонилирование метанола). В зависимости от способа иммобилизации (адсорбция на буковых стружках, TiO2, ZrO2, керамике, хлопке, ионообменных смолах, включение в гели каррагинана, коллагена) продуктивность процесса варьирует в пределах 60 раз, концентрация уксусной кислоты изменяется от 20 до 110 г/л, операционная стабильность иммобилизованного биокатализатора достигает 270 сут. 34 Иммобилизованные на древесной стружке ацетобактерии применяются в промышленности; ряд биокатализаторов, полученных на основе использования других способов иммобилизации, успешно испытан в установках и реакторах пилотного масштаба. Молочная кислота - первая из органических кислот, которую начали производить путем брожения, в конце XIX века было налажено промышленное производство молочной кислоты при участии молочнокислых бактерий (Lactobacillus debrueckii, L.Leichmanii и L.bulgaricus). Молочную кислоту используют в качестве добавки к пищевым продуктам, сокам, эссенциям и напиткам, как окислитель в пищевой промышленности, в гальваностегии, а также при производстве пластмасс, когда L(+)форму кислоты полимеризуют в полилактам. За 1980г. в США и Европе было произведено 40 000 т молочной кислоты. Следует отметить, что практически вся производимая в США молочная кислота синтезируется химическим путем, в Европе половину ее получают при сбраживании глюкозы L.delbrueckii. Для интенсификации процессов получения молочной кислоты проводят исследования по применению иммобилизованных молочнокислых бактерий, а также по оптимизации конструкции биореакторов. Молочнокислые бактерии были иммобилизованы путем включения в различные гели. Для получения молочной кислоты предложено использовать мембранный реактор, колонный реактор с полыми волокнами, колонный реактор с иммобилизованными включением в Са-альгинатный гель бактериями, соединенный с электродиализной ячейкой. Имеющиеся данные позволяют рассчитывать на 50-100-кратное увеличение производительности процесса. Время полужизни иммобилизованного Са-альгенатбиокатализатора на основе L.delbrueckii составляет 100 сут. Лимонную кислоту получают из мелассы с помощью микроскопических грибов Aspergillus niger. В 1980 г. ее мировое производство составило 175 000 т. Лимонная кислота применяется как ароматизирующее средство и консервант пищевых продуктов, для очистки и шлифовки металлов (хелатирующий агент), в качестве пластификатора лакокрасочных материалов. Эфиры лимонной кислоты применяются при производстве пластмасс. В лабораторных условиях иммобилизация А.niger проводилась в гелях Са-альгената, каррагинана, агара, полиакриламида, путем адсорбции на полипропиленовых пленках и пластинках , включением в поперечно-сшитую глутаровым альдегидом коллагеновую мембрану. Применение иммобилизованных клеток приводит к увеличению скорости образования лимонной кислоты в несколько раз, операционная стабильность иммобилизованного биокатализатора достигает 30 сут. Лимонную и изолимонную кислоты получают с помощью дрожжей Candida sp. Изолимонная кислота синтезируется и при использовании Penicillium janthinellum (некоторые виды Penicillium синтезируют диастереомер лимонной кислоты - аллозо-Ls -изолимонную кислоту). В лабораторных условиях осуществлена иммобилизация указанных микроорганизмов в Са-альгинат и ПААГ. 35 Хорошие результаты по технологическому применению иммобилизованных клеток продемонстрированы при получении яблочной кислоты путем микробиологической трансформации фумаровой кислоты. С 1974 г. японская фирма “Танабо Сеяку” приступила к промышленному выпуску яблочной кислоты с использованием включенных в ПААГ мертвых клеток Brevibacterium ammoniagenes. В 1978 г. ПААГ был заменен на каррагинан, что позволило в 2,3 раза увеличить эффективность биокатализатора, а замена В.ammoniagenes на В.flavum еще в 2 раза увеличила его эффективность. В итоге появилась возможность с помощью однократно приготовленной партии иммобилизованного биокатализатора получить до 100 т яблочной кислоты (в настоящий момент производится 180 т). Продолжительность функционирования иммобилизованных в полиакриламидный гель клеток составляет около 60 суток, в геле на основе каррагинана – до 160 суток против 6 суток для свободных клеток. Конверсия фумарата (1М) - до 70%, время одного трансформационного цикла - около 5 ч. Глюконовая кислота и ее лактон являются продуктами окисления глюкозы. Промышленное производство глюконовой кислоты с помощью А.niger было налажено еще в начале 20-х годов. Выход процессов ферментации (свободные клетки) с получением глюконовой кислоты равен 95%, концентрация глюкозы 150-200 г/л. Глюконовая кислота находит применение как моющее средство, ее соли используются в медицине, а лактон - как подкислитель в пищевой промышленности. Производные глюконовой кислоты - 2-кетоглюконовую и 5кетоглюконовую кислоты - получают с помощью микроорганизмов Pseudomonas sp., Gluconobacter sp., Acetobacter sp., причем процесс получения 2кетоглюконовой кислоты на основе свободных клеток нашел промышленное применение. Из 5-кетоглюконовой кислоты в результате химической гидрогенизации образуется L-идоновая кислота, а из нее осуществляется ферментативный синтез 2-кетогулоновой кислоты, являющейся полупродуктом для производства аскорбиновой кислоты. Иммобилизацию микроорганизмов-продуцентов глюконовой и 2-кетоглюконовой кислот проводят с помощью адсорбционных методов (при использовании в качестве адсорбентов нейлонового волокна, керамики, анионообменника амберлита), а также включением в гели каррагинана, Саальгината, коллагена, ПААГ. Наиболее эффективны биокатализаторы, полученные методами включения в упругие гели ПААГ или Са-альгината, при их использовании были реализованы процессы превращения глюкозы, концентрацией до 200 г/л с продуктивностью до 10 г/лч (по глюконовой кислоте), продолжительность функционирования иммобилизованных клеток достигала 200 сут. Итаконовую кислоту, применяющуюся при производстве пластмасс и красителей, получают с высоким выходом из глюкозы с помощью грибов А.terreus (процесс на основе свободных клеток внедрен в промышленную 36 практику в СССР). На лабораторном уровне проводилась иммобилизация А.terreus в ПААГ, а также путем адсорбции на сетчатых дисках из пористой нержавеющей стали. В последнем случае использовался дисковый реактор: концентрация итаконовой кислоты достигала 20 г/л, реактор функционировал без изменения продуктивности, которая составляла до 1 г/л.ч, до 30 сут. 6.7. Получение антибиотиков. Применение биокатализаторов на основе иммобилизованных клеток позволило достичь больших успехов в области получения антибиотиков. Как важна область биотехнологии, связанная с синтезом антибиотиков, наглядно видно из стоимости мирового сбыта их четырех наиболее распространенных групп ( пенициллинов, цефалоспоринов, тетрациклинов и эритромицинов ( имеется в виду продажа для медицины и ветеринарии): в 1978 г она составляла свыше 4 млрд. дол., в 1980 г. - около 7 млрд. дол., в 1985 г. - около 8 млрд. дол. ( объем производства превысил 60 тыс. т в год), в 2000 г. более 20 млрд. дол. Важность и масштабы производства антибиотиков обусловлены их применением в медицине и ветеринарии как противомикробных и противоопухолевых препаратов. С их помощью контролируется рост растений и ведется борьба с болезнями. Новые поколения синтетических антибиотиков представляют собой сложные по химическому строению вещества, поэтому методы получения на основе полного химического синтеза не могут конкурировать с методами, в которых используются микроорганизмы. Шесть родов филаментозных грибов синтезируют около тысячи различных антибиотиков, в том числе цефалоспорины и пенициллины. Два рода нефиламентозных бактерий синтезируют 500 видов антибиотиков, а три рода актиномицетов - около 3 000 видов. Число известных антибиотиков увеличивается на несколько сотен каждый год. Начиная с середины 60-х годов исследователи перешли от поиска новых антибиотиков к модификации структуры уже имеющихся. Особенно это было характерно для пенициллинов и цефалоспоринов, структура которых включает лактамное кольцо. Химическая модификация -лактамного кольца ("добавление" к нему какой-либо химической группы) позволяет получить новые виды антибиотиков; их называют полусинтетическими. Ключевым полупродуктом для получения полусинтетических антибиотиков пенициллинового ряда является 6-аминопенициллановая кислота (6-АПК) Получение 6-АПК в промышленности путем химического гидролиза бензилпенициллина сопряжено с большими трудностями в связи с крайней неустойчивостью лактамного цикла его молекулы. Так, при щелочном гидролизе бензилпенициллина выход 6-АПК составляет всего 1 %. Продуктивность этого процесса удалось значительно повысить благодаря применению для гидролиза иммобилизованных бактериальных клеток, содержащих пенициллинацилазу. Со второй половины 70-х годов XX в. вся 6-АПК, выпускаема в России, и значительная часть 6-АПК, получаемая в Италии производятся с помощью 37 иммобилизованных ферментов. На итальянских фирмах применяют фермент, иммобилизованный путем включения клеток Е. coli в волокна триацетата целлюлозы, на российских предприятиях используют бактериальные клетки, имO H2C C HN S +H2O , пенициллинацилаза CH3 CH3 N O _ COOH CH2 COOH Бензилпенициллин H2N S N O CH3 CH3 COOH 6 - Àì èí î ï åí èöèëëàí î âàÿ êèñëî òà (6-ÀÏ Ê) мобилизованные в полиакриламидном геле. Переход к технологии, применяющей иммобилизованные бактериальные клетки обеспечивает высокий выход 6-АПК, составляющий 80-85%. По данным японских исследователей, время полуинактивации пенициллинацилазы, содержащейся в иммобилизованных в полиакриламидном геле бактериальных клетках, равно 42 суткам при 30°С или 17 суткам при 400С. Внедрение в промышленность биокаталитической технологии производства 6-АПК привело к существенному увеличению выпуска полусинтетических пенициллинов и снижению их себестоимости. Для получения промышленных биокатализаторов с целью трансформации антибиотиков используют иммобилизацию клеток микроорганизмов путем включения в ПААГ, сшитый глутаровым альдегидом желатиновый гель, связывание с глицидилметакрилатом с помощью глутарового альдегида. По существу при трансформации антибиотиков из всего многообразия ферментов клетки используется лишь один из них. Сохранять жизнеспособность клеткам при этом не обязательно, активность катализатора можно увеличивать за счет разрушения клеточных оболочек, служащих диффузионными барьерами на пути субстрата к ферменту. Тем не менее, простота требований, предъявляемых к системе, когда при иммобилизации нет необходимости сохранять жизнеспособность клеток, является кажущейся. В частности, простое включение в гель клеток E.coli приводит к быстрой инактивации биокатализатора вследствие вымывания фермента в процессе получения геля. В связи с этим был разработан способ включения в ПААГ клеток, предварительно модифицированных в растворе мономеров путем сшивки бифункциональным реагентом. 38 При включении клеток E.coli в гели альгината по стандартной методике их содержимое конкурирует с полимером за связывание с ионами кальция. Результатом является лизис клеток, нарушение интактности клеточных структур. Стабильность такого биокатализатора иллюстрируют катализаторы фирмы “Спофа”, полученные на основе разрушенных клеток E.coli. Резкого повышения стабильности удается достичь после "фиксирующей" модификации поверхности клеток до их контакта с раствором, содержащим ионы кальция. Эта фиксация резко меняет картину ультраструктуры иммобилизованных клеток, их удается сохранить структурно неизмененными. Мягкое воздействие на клетки E.coli органическими растворителями, замещающими часть воды в клетке, приводит к изменению проницаемости клеточной стенки, увеличению доступа субстрата к внутриклеточным ферментам и ускорению вывода продукта при одновременном сохранении целостности покровов клетки, и, как следствие, активность биокатализатора и его стабильность существенно возрастают. Воздействие на клетки в процессе выращивания (температурный фактор, химические агенты) также позволяет получить микроорганизмы с повышенной проницаемостью клеточных оболочек. Активность и стабильность иммобилизованного биокатализатора на основе таких клеток возрастает. Для иммобилизации микроорганизмов, осуществляющих биосинтез антибиотиков, применяют разные методы - включение в ПААГ, гели Саальгината, каррагинана, агара, коллагена, включение в полые волокна, адсорбция на цеолите, пенополиуретане, поликарбонате, нейлоне, полисульфоне, стали. Биосинтез антибиотиков с помощью иммобилизованных клеток не имеет пока промышленного значения, но исследования в этом направлении интенсивно развиваются. 6.8.Трансформация стероидов. Одна из первых работ, посвященных иммобилизованным клеткам, касалась трансформации стероидов (в ней шла речь о гидроксилировании стероида кортексолона). В настоящее время все основные энзиматические процессы, используемые в стероидной химии, осуществлены с помощью иммобилизованных клеток: 1.2-дегидрирование, 11-- и 11--гидроксилирование, стереоспецифическое 17--восстановление, 20-- и 20--восстановление, дезацетилированние, трансформация стеринов и некоторые другие. Острая необходимость применения для трансформации иммобилизованных клеток обусловлена тем, что стереотрансформирующие ферменты, особенно гидролазы и гидрогеназы, являются весьма лабильными, их выделение и очистка затруднены. Иммобилизованные клетки могут служить в этих случаях "носителем" активных и стабильных полиферментных систем, регенерирующих необходимые им кофакторы. Промышленный синтез многих лекарственных препаратов на основе стероидов стал возможен с развитием методов микробиологической трансформации. В качестве сырья для промышленных процессов используют 39 природные стерины, выделяемые из растений или различных органов животных. Трансформацию стероидов осуществляют с помощью различных микроорганизмов, для иммобилизации которых предложен широкий круг методов. CH2O H CH2OH C O C O Curvularia lunata OH O HO OH CH2OH C O Arthobacter simplex O Êî ðòèêî ñòåðî í (вещество S Рейхштейна) HO OH O Кортизол Преднизолон CH2OH CH2O H C O C O HO Гидроксилаза Aspergilius oshraceus O O Прогестерон 11--Гидроксипрогестерон Максимальная стабильность и активность в непрерывном (проточном) реакторе наблюдается у клеток, адсорбированном на керамическом носителе, в условиях периодического реактора - у клеток, включенных в ПААГ. В случае иммобилизации в ПААГ период полуинактивации составил 5 мес. (160 циклов трансформации) при сохранении 95%-ного превращения гидрокортизона в преднизолон. Практически во всех носителях (кроме каррагинана) дегидрогеназная активность сохраняется на уровне активности свободных клеток, причем клетки в иммобилизованном состоянии остаются жизнеспособны. Трансформация стероидов является одним из примеров реализованных в промышленности процессов, основанных на использовании иммобилизованных клеток. В настоящее время интенсивно разрабатываются методы использования нерастворимых микрокристаллических стероидных субстратов для иммобилизованных клеток. В этих случаях применяют диспергирование и измельчение субстрата, а также превращение его в водорастворимое состояние (с помощью циклодекстринов). Предложен также новый метод проведения реакций, как для свободных, так и для иммобилизованных клеток и в двухфазных водноорганических системах. Клетки при этом локализованы в водной фазе (внутри гранул носителя) и мало подвержены воздействию органического растворителя, не смешивающегося с водой. 40 В качестве катализатора реакции дегидрирования стероидов в среде бензола и гептана используются различные виды бактерий Nocargia sp., иммобилизованные в гидрофобном носителе. Бактерии, включенные в гидрофобные гели (уретановые полимеры), обладают большей активностью и стабильностью, чем находящиеся в гидрофильном окружении, что определяется характером распределения субстрата между гелем и окружающим растворителем. Наконец, следует отметить еще одну возможность утилизации нерастворимого стероидного субстрата, когда клетки и частицы субстрата одновременно включают в гранулы геля (альгината, агара, агарозы). После осуществления цикла трансформаций гранулы геля разрушают, клетки удаляют центрифугированием и рециклизуют, а продукт (преднизолон) экстрагируют из супернатанта органическими растворителями. 6.9.Получение ферментов. С точки зрения применения иммобилизованных клеток речь может идти в первую очередь о получении внеклеточных ферментов (производство в мире составляет сотни тысяч тонн в год), среди которых промышленно важными являются амилазы, целлюлозы, гемицеллюлазы, пуллуланазы, декстраназа, пектиназы, лактаза, липазы, протеазы. Внутриклеточные ферменты - глюкозооксидазу, каталазу, аспарагиназу, пенницилинацилазу, инвертазу, -галактозидазу, глюкозоизомеразу, выделение которых требует разрушения клеточной стенки микроорганизма-продуцента, получать с помощью иммобилизованных микроорганизмов нецелесообразно. По существу, из трех классических методов культивирования микроорганизмов - на жидких питательных средах (глубинный), на твердых питательных средах (поверхностный) и непрерывное культивирование - два последних можно с определенными оговорками отнести к методам, связанным с применением иммобилизованных клеток, которые закреплены на нерастворимом субстрате (источнике углерода) или отделяются от целевого продукта для последующего использования (рециклизуются). 6.10.Применение иммобилизованных клеток для утилизации отходов. Утилизация разнообразных органических отходов, жидких стоков различных отраслей промышленности, сельского хозяйства, бытовой деятельности человека является чрезвычайно злободневной и острой проблемой, вклад в решение которой биотехнологических (микробиологических) методов трудно переоценить. Большую роль в очистке воды играют микроорганизмыдеструкторы пестицидов, поверхностно-активных веществ, нефтяных загрязнений ксенобиотиков и т.д. Микробиологическая очистка сточных вод способствует также получению альтернативных энергоресурсов и сырья, поскольку продуктом обработки во многих случаях является биогаз (смесь метана и углекислого газа в соотношении 3 : 1). Масштабы некоторых из биотехнологических очистных процессов огромны: уже существуют биореакторы емкостью 4000-5000 м3 и выше. 41 В основе биотехнологии очистки сточных вод лежат два подхода, в одном из которых используют аэробные, а в другом - анаэробные микроорганизмы. В аэробной очистке применяют активный ил (биопленку), представляющий собой скопление разнообразных микроорганизмов, видовой состав которых регулируется конкретными экологическими условиями. В большинстве случаев в развитых странах используют именно аэробную очистку. Активный ил представляет собой темно-коричневые хлопья размером до сотен микрон, причем он состоит примерно на 70% из живых организмов и около 30% составляют частицы неорганической природы. Живые организмы вместе с твердым носителем, к которому они прикреплены, образуют так называемый зооглей-симбиоз популяций организмов, покрытый общей слизистой оболочкой. Зооглей может формироваться как за счет флокуляции, так и адгезии клеток на поверхности носителя. Микроорганизмы, входящие в состав активного ила, относятся к различным родам: Actinomyces, Actinobacter, Bacillus, Corynebacterium, Desulfiomaculum, Microcjccus, Pseudomonas, Sarcina и другие, которые окисляют спирты, жирные кислоты, парафины, ароматические углеводороды, нафтены, фенолы, осуществляют деградацию нефти (фенолы и формальдегид уже в незначительных концентрациях угнетают развитие микроорганизмов). Аэробный способ очистки сточных вод основан на использовании системы из двух аппаратов: аэротенк и вторичный отстойник. Аэротенк - это открытое сооружение, через которое пропускается аэрируемая сточная вода и суспензия активного ила, в отстойнике же осуществляется доочистка воды. Применение активного ила по данной технологии относится, по существу, к методам, связанным с использованием иммобилизованных клеток. Однако кроме этого существуют промышленные методы использования активного ила, где иммобилизацию используют в "чистом" виде. Речь идет о биофильтрах, представляющих собой проточные емкости с принудительной или естественной циркуляцией, содержащие консорциум клеток активного ила, прикрепленных к поверхности пористого носителя, которым служит обладающая достаточной механической прочностью керамика, щебень, гравий, песок, керамзит, кольца Рашига, стекловолокно, нити синтетических волокон, металлические полимерные материалы. Глубина и скорость очистки сточных вод в биофильтрах выше, чем в аэротенках (скорость в 10-15 раз выше и достигается практически полная очистка), однако содержание органики в очищаемых водах не должно превышать 500 мг/л (иначе трудно осуществить полную аэрацию биофильтра), кроме того, сточные воды перед биофильтром должны быть очищены от взвешенных частиц, в противном случае биофильтры быстро забиваются и происходит заиливание. Биофильтры целесообразно применять для очистки локальных стоков. В последние годы конструкция биофильтров совершенствуется, например, в качестве носителя используют мелкозернистую полимерную или металлическую 42 сетку. Биомассу клеток наращивают в пустотах внутри прокладок из пористого полиэфира, прокладки удерживают внутри реактора с помощью сеток и периодически удаляют из реактора. Густую биомассу отжимают, и пустые прокладки вновь возвращают в реактор. Запуск промышленных аэротенков и биофильтров в эксплуатацию занимает обычно десятки суток, время же их непрерывного функционирования составляет десятки месяцев. Анаэробные способы очистки применяются, как правило, для обработки высококонцентрированных стоков и осадков, содержащих большое количество органических веществ. Процесс брожения осуществляется в метантенках. Анаэробное превращение органических веществ происходит под действием бактериальной микрофлоры (в ее состав входит до тысячи микроорганизмов) через четыре последовательных этапа: фаза гидролиза (расщепления) биополимерных молекул (белков, липидов, полисахаридов и других) на более простые, например, мономеры, аминокислоты, углеводы и другие; фаза ферментации мономеров до низших кислот и спиртов, аммиака, сероводорода; ацетогенная фаза (образование Н2, СО2, формиата, ацетата); непосредственно метаногенная фаза, которая ведет к конечному продукту расщепления - метану. Кроме метана, продуктом является углекислый газ (их смесь образует биогаз). В результате действия метанногенного консорциума микроорганизмов происходит резкое снижение концентрации органических загрязнений в отходах или сточных водах с одновременным образованием биогаза, который можно в дальнейшем использовать как энергоноситель или углеродный субстрат для синтеза микробной (кормовой) биомассы. Активное использование метаногенеза при сбраживании органических отходов является, по современным представлениям, одним из наиболее перспективных путей совместного решения экологических и энергетических проблем. Конструкционное оформление метантанков весьма разнообразно, в общем случае это строго герметичный ферментер объемом до нескольких сотен кубометров с перемешиванием и рубашкой для обогрева, работающий в периодическом режиме загрузки отходов или сточных вод с постоянным отбором биогаза и выгрузкой твердого осадка по мере развития процесса. Обеспечение задержки (фиксирования) клеток в объеме метантенка при его работе и выгрузке позволяет значительно интенсифицировать процесс и увеличить выход биогаза. Эффективность действия метантанков с иммобилизованными клетками в 2.53 раза выше, чем со свободными (во столько раз увеличивается выход биогаза с единицы объема метантенка), недостатком процессов с иммобилизованными клетками является то, что они приспособлены для переработки растворимой органики. С этой точки зрения метантенки с иммобилизованной биомассой чрезвычайно удобны для обработки сточных вод предприятий пищевой промышленности, например молокоперерабатывающих, спиртовых заводов, целлюлозно- бумажных производств и т.д. (их стоки не содержат значительного количества взвесей). 43 Важную роль в процессах очистки сточных вод играет денитрификация, осуществляемая, например бактериями Pseudomonas sp. Сущность денитрификации отражает схема: NO3- + источник углерода N2 + CO2 + биомасса Отдельной и важной задачей представляются процессы биодеградации сложных смесей углеводородов и их производных в средах, загрязненных нефтью. Сточные воды нефтяной промышленности обычно очищают биологическим способом или с помощью коагулянтов. Самые значительные утечки нефти происходят в море. Очистку морской поверхности от нефти проводят путем ее биодеградации природным симбиозом бактерий, способных расти на компонентах нефти и окислять их (конечными продуктами окисления являются СО2 и Н2О). Эти микроорганизмы действуют, по существу, в иммобилизованном состоянии на поверхности капель нефтепродуктов, причем, чем больше степень дисперсности нефти, тем быстрее осуществляется биодеградация. Наибольший эффект наблюдается, когда нефть эмульгирована в воде. К числу острых экологических проблем относится проблема удаления из воды металлов (кадмия, свинца, цинка, урана, плутония), трития. Биотехнологический принцип решения этой проблемы состоит в применении иммобилизованных клеток микроорганизмов (бактерий) и микроводорослей, аккумулирующих металлы. Механизм процесса состоит в основном в комплексообразовании катионов металлов с функциональными группами клеточной стенки (натрием, фосфатными), в ион-ионном взаимодействии с заряженными группами, а также в адгезии частиц оксидов металлов (например, оксида урана) на поверхности клеток в результате электростатического взаимодействия. Иммобилизацию клеток проводят адсорбцией на шариках из поливинилхлорида, полипропилена, цилиндрических частицах из стекла; включением в гели каррагинана, альгината, ПААГ. Промышленные установки по извлечению металлов из сточных вод действуют в США и Венгрии. Экономический эффект их использования очень значителен: применение 10 г клеток (сырая биомасса), иммобилизованных в альгинатный или каррагинановый гели при очистке сточных вод от трития, эквивалентно действию 1г платинового катализатора. Некоторые микроорганизмы (мицелиальные грибы и бактерии, выделенные из золоторудных месторождений, а также дрожжи) способны к аккумуляции золота, которое в техногенных условиях встречается в элементарном состоянии, а также в виде ионов - Au+ и Au3+. Адсорбируемое золото в некоторых случаях связывается с маннаном клеточной стенки. Для практической реализации процессов удаления металлов из сточных вод 44 (аккумулирования с целью концентрирования или выделения, например, урана из морской воды, золота) необходимо пропускать большие массы воды через колонные аппараты с иммобилизованными клетками, периодически меняя колонки или их содержимое; отделять клетки от носителя; выделять из них, если необходимо, металл т.д. Эта технология существенно упрощается, если использовать методы обратимой электроиммобилизации клеток. Следует отметить, что с точки зрения технической микробиологии и биотехнологии биологическая очистка воды (в том числе с помощью иммобилизованных клеток микроорганизмов) представляется необыкновенным процессом. Его необычность состоит в том, что обработке подвергается огромное количество воды. В развитых странах в сутки биологически очищается больше воды, чем вырабатывается в год таких крупнотоннажных продуктов, как сталь, молоко, пиво, сахар. В РФ биологически очищается сточных вод в год больше, чем добывается угля и нефти, производится чугуна, стали, цемента, зерна, вместе взятых, в течение пятилетки. Очистка воды является тем чрезвычайно крупномасштабным процессом, где необходимость и возможность применения иммобилизованных клеток полностью доказаны, причем реально может быть использован наиболее доступный тип иммобилизации - адсорбционный. 6.11.Биогеотехнология. Приложение биотехнологии к добыче, обогащению и переработке руд и угля, отделению и концентрированию металлов, экстракции остаточных порций нефти из иссякающих месторождений относится к области биогеотехнологии. Одним из направлений биогеотехнологии является получение металлов из бедных руд и производственных отходов. Традиционные способы извлечения металлов в таких случаях непригодны и не обеспечивают комплексное и рациональное использование руд и охрану окружающей среды. В основе биотехнологии извлечения металлов из руд, концентратов, горных пород лежат химические процессы, осуществляемые микроорганизмами или их метаболитами: окисление сульфитных минералов, серы, Fe2+, разложение силикатов. В большинстве случаев клетки микроорганизмов используют в иммобилизованном состоянии – в виде биопленки на поверхности частиц руды, горной породы или минералов. Для выщелачивания металлов из сульфидных и смешанных руд и концентратов, из отходов пирометаллургического производства и для удаления серы из угля используют Thiobacillus ferroxidans, Leptospirillum ferroxidans в ассоциации с Т.thiooxidans, T.organoparus. Микроорганизмы (грибы, бактерии, дрожжи) и их метаболиты используют для извлечения химических элементов из силикатных и карбонатных руд, для выщелачивания золота. К процессам, непосредственно катализируемым бактериями, относятся окисление железа: 45 4FeSO4 + O2 + 2H2SO4 2Fe2(SO4)3 + 2H2O и окисление серы: S8 + 12O2 + 8H2O 8H2SO4 Ряд минералов окисляется микроорганизмами, например пирит: некоторыми выщелачивающими 4FeS2 + 15O2 + 2H2O 2Fe2(SO4)3 + 2H2SO4 и сфалерит: ZnS + 2O2 ZnSO4 Ион трехвалентного железа служит сильным окисляющим агентом, переводящим в раствор многие минералы, например халькоцит: CuS + 2Fe2(SO4)3 2CuSO4 + 4FeSO4 + S и уранит: UO2 + Fe2(SO4)3 UO2 SO4 + 2FeSO4 Выщелачивание, происходящее при участии иона трехвалентного железа, который образуется в результате жизнедеятельности бактерий, называют “непрямой “ экстракцией. В настоящее время бактериальное выщелачивание, известное как биогидрометаллургия или биоэкстрактивная металлургия, применяется в промышленных масштабах для перевода в растворимую форму меди и урана (выщелачивание отвалов и бедных руд). Бедную руду или отвальную породу перевозят из карьера в расположенную поблизости местность с естественным уклоном, который дает возможность собирать используемые растворы. Воизбежании загрязнения подпочвенных и поверхностных вод выбирают непроницаемые для воды участки. Для начала процесса выщелачивания отвал смачивают водой, подкисленной серной кислотой до рН= 1.5 – 3.0. Кислый раствор просачивается сквозь руду и, поскольку он содержит углекислый газ и кислород, создает благоприятную среду для размножения природных ацидофильных тиобацилл. Из выщелачиваемых отвалов вытекают растворы, содержащие металлы, они направляются в отстойники, откуда извлекаются путем осаждения или экстракции, а отработанные выщелачивающие растворы вновь 46 поступают в отвал. Промышленное применение нашел также процесс удаления серы из угля. Предварительная обработка бактериями T.ferrоoxidans приводит к окислению значительной доли серы (в виде пирита) до серной кислоты (60-98% за 7-10 суток). Обработку угля проводят открытым способом, но ведется поиск методов введения микроорганизмов в пласты угля. Закрепленные на поверхности раздела (жидкость-твердое тело и жидкостьжидкость) микроорганизмы применяют для увеличения добычи нефти. Традиционными методами можно извлечь из месторождений лишь часть ее, около 50% нефти остается в капиллярах пор породы месторождений. Интенсификация добычи нефти осуществляется микроорганизмами и продуктами их жизнедеятельности. Для этого используют стимуляцию деятельности природной микрофлоры месторождений путем введения в скважины питательных веществ (мелассы, молочной сыворотки, микроорганизмов, продуцирующих нужные метаболиты, а также введением определенных биопродуктов, наработанных вне месторождений. В скважину вводят несколько сот литров посевного материала, содержащего раствор мелассы. Увеличение выхода нефти составляет 16-200%. Этот эффект обусловлен влиянием следующих продуктов жизнедеятельности микроорганизмов: газов – СО2, СН4, N2, Н2 (уменьшение вязкости и увеличение давления); полисахаридов – альгината, ксантана, курдлана, декстрана, пуллулана, эмульсана (уменьшение межповерхностного натяжения между нефтью и водой); поверхностно-активных веществ – глицеридов, липидов, пептидолипидов, софролипидов и других (уменьшение натяжения); органических кислот – муравьиной, масляной, молочной и других (увеличение проницаемости пород путем растворения карбонатов и доломитов); низкомолекулярных растворителей – спиртов, кетонов (уменьшение вязкости). Биотехнологические методы добычи полезных ископаемых экономически выгодны. Новые методы добычи позволяют разрабатывать бедные и сложные по составу месторождения, осваивать глубинные места залегания, обеспечивать комплексную утилизацию сырья, исключить загрязнение окружающей среды элементами сырья, хотя экологическое влияние массированного использования микроорганизмов изучено недостаточно. 6.12.Биосенсоры на основе иммобилизованных ферментов. Высокая эффективность биологических катализаторов и специфичность их действия делают ферменты идеальными реагентами для аналитической химии. Благодаря этим особенностям с помощью ферментов обнаруживаются вещества при предельно низкой концентрации (до 10-12 моль/л) в присутствии множества других соединений. К настоящему времени созданы искусственные аналитические системы различных конструкций (биосенсоры, датчики, ферментные электроды, проточные анализаторы), потенциометрического, амперометрического, калориметрического, пьезоэлектрического и оптического типа, содержащие иммобилизованные ферменты и клетки и предназначенные для 47 автоматического детектирования продуктов энзиматических превращений. Например, если использовать иммобилизованную глюкозооксидазу, то концентрацию окисляемой кислородом глюкозы определяют, регистрируя количество выделившегося в ходе реакции пероксида водорода полярографическим, колориметрическим или люминесцентным методом. Технологические варианты сенсоров с иммобилизованными ферментами весьма разнообразны - колонки, трубки, полые волокна и пр. С их помощью на практике определяют концентрацию широкого спектра соединений - глюкозы, аминокислот, мочевины, пенициллина, АТФ, НАДН, ФМН, стероидов, триглицеридов, желчных кислот и многих других. Так, американскими исследователями сконструирован микродатчик на основе глюкозооксидазы и рутениевого красителя, иммобилизованных в полиакриламидной матрице с использованием субмикронных оптических волокон. Микробиосенсор, не вызывая повреждений, может быть введен в клетку и даже в отдельные ее компартменты для измерения содержания в них глюкозы и кислорода. Предложены датчики на базе иммунодетекции для проведения экспресс-анализов на присутствие производных диоксина и оценки содержания биогенных аминов (с помощью моноаминооксидазы) в пищевых продуктах в связи с процессами их старения. Для определения мочевины ферментным электродом требуется всего 30 с. Биосенсоры на основе иммобилизованных ферментов помогают выполнять десятки быстрых и точных анализов при диагностике заболеваний, контролировать содержание вредных веществ (инсектицидов, пестицидов, удобрений) в пищевых продуктах и в воздухе. Биосенсоры нашли применение в решении аналитических задач в химической и микробиологической промышленности, а также в научных исследованиях. Начаты разработки новых поколений биодатчиков на базе аффинных взаимодействий (биосродства) типа фермент-ингибитор, антитело-антиген, агонист (антагонист)- клеточный рецептор на основе полупроводниковых устройств-термисторов и пьезоэлектрического эффекта. Термистор представляет собой полупроводниковый резистор, сопротивление которого изменяется с изменением температуры. Датчик представляет собой термистор, на поверхности которого находятся иммобилизованные клетки или молекулы ферментов или антител. Он с высокой чувствительностью регистрирует изменения температуры, происходящие при протекании биохимических реакций с анализируемыми веществами. Особенно высокой чувствительностью обладают пьезоэлектрические биосенсоры. Принцип их действия основан на изменении частоты переменного тока, при которой пьезоэлектрик, например кристалл кварца, колеблется в резонансном режиме. Химически чистый и физически однородный кристалл пьезоэлектрика характеризуется постоянной резонансной частотой колебаний, 48 которая для кварца составляет 9 или 14 МГц. Если на кристалл налипает то или иное вещество, частота резонансных колебаний меняется в соответствии с уравнением: dν/ν = -dm/Apt , где v - частота колебаний; dv - ее приращение; dm - изменение массы кристалла; А - поверхность кристалла; р - его плотность; t - его толщина. Пьезоэлектрики регистрируют изменение массы порядка 10-12г. Биосенсоры на их основе содержат иммобилизованный на пьезокристалле фермент, антитело, антиген или нить ДНК (РНК). О наличии детектируемого агента, вступающего в ферментативную, иммунную реакцию или образующего гибридную молекулу (ДНК (РНК) с иммобилизованным биообъектом, свидетельствует формирование соответствующего комплекса на пьезоэлектрике, которое увеличивает его массу и меняет частоту резонансных колебаний. С помощью пьезоэлектрического биосенсора с иммобилизованным антигеном можно обнаружить антитела в сыворотке крови, разведенной в 1000 раз. Правда, в водном растворе кристалл реагирует слабее (изменением резонансной частоты) на увеличение своей суммарной массы, чем на воздухе. Поэтому предполагают погружать пьезоэлектрический биосенсор в раствор, где будет формироваться фермент-субстратный (фермент-ингибиторный) или иммунный комплекс, а далее определять колебательные характеристики кристалла в воздухе. Высокая чувствительность пьезоэлектриков к изменениям массы в воздушной среде позволяет использовать их в биосенсорах на газы, загрязняющие атмосферу. Учеными из Университета Пердью (США) разработаны био-оптические лазерные диски “BioCD”, которые, в перспективе, предполагается применять при проведении детального анализа крови. Принцип действия “BioCD” аналогичен принципам, положенным в основу традиционных компакт-дисков. В частности, как и обычные носители, “BioCD” имеют дорожки. Правда, они используются не для записи информации, а для хранения специальных веществ, реагирующих на строго определенный тип белков. Другими словами, треки “BioCD” напоминают микроскопические пробирки с реактивами. Для проведения анализа достаточно нанести каплю крови на поверхность диска и считать результаты при помощи лазерного привода. По словам Дэвида Нолта, руководителя проекта, человеческая кровь содержит порядка десяти тысяч различных белков, которые, в идеале, должны регистрировать биооптические диски. Ведь даже незначительные изменения концентрации некоторых из этих белков могут предвещать развитие серьезных заболеваний. Следует отметить, что в настоящее время при проведении детальных исследований крови применяется очень дорогое оборудование стоимостью до 50 тысяч долларов и выше. Вместе с тем, появление био-оптических детекторов позволит значительно снизить стоимость проведения процедур, поскольку считывать данные можно будет посредством лишь незначительно модифицированных CD-приводов. Правда, в настоящее время предложенная методика нуждается в серьезных доработках, и прежде чем “BioCD” появятся на рынке, пройдет не менее десяти лет. Иммобилизованные клетки микроорганизмов обычно применяют в комбинации с амперометрическими или потенциометрическими (газовыми) электродами для регистрации отдельных веществ и комплексных физиологобиохимических параметров, которые трудно или вовсе невозможно оценить с помощью изолированных ферментов: потребление кислорода (показатель органического загрязнения природных или сточных вод), измеряемое 49 амперометрически по поглощению О2 или потенциометрически по образованию СО2 клетками гриба Trichosporon cutaneum или бактерий Azotobacter vinelandii, E- coli и др.; токсичность водного раствора или воздуха, измеряемая сенсорами на базе иммобилизованных цианобактерий, у которых активность фотосистемы II снижается при наличии в среде токсических компонентов, особенно гербицидов; мутагенное действие тестируемого агента, определяемое стандартными методами обнаружения мутантных клеток, например, растущих и соответственно выделяющих СО2 лишь на обогащенной среде. Микробные биосенсоры, в отличие от ферментных, не требуют регенерации кофакторов, стабильны (срок службы от 5 до 60 дней), причем стабильность может быть повышена периодическим погружением иммобилизованных клеток в свежую питательную среду. Недостаток микробных биосенсоров - медленный отклик на детектируемый агент (обычно от 10 до 60 мин), что объясняется затратами времени на транспорт этого агента внутрь клетки и его ферментативное расщепление, предшествующее появлению вне клеток продуктов, взаимодействующих с электродом (О2, СО2 и др.). Клетка в некоторых случаях откликается и на посторонние агенты, поэтому иммобилизованные на биосенсоре клетки целесообразно обрабатывать ингибиторами побочных ферментативных реакций, не специфичных по отношению к детектируемому агенту. Известны биосенсоры с соиммобилизованными клетками и изолированными ферментами, что позволяет осуществлять многостадийные ферментативные реакции. Так, соиммобилизация уреазы и нитрифицирующих бактерий на О2-электроде дает чувствительный биосенсор на мочевину. Возможно также совместное применение двух и более видов микроорганизмов в составе одного биосенсора. Использование тканей растений и животных перспективно, но применяются сравнительно редко. Во многих случаях они более стабильны, чем ферменты и клетки, а порой более специфичны, чем микробные клетки. Так, глутаматный биосенсор на основе ткани свиной почки не откликается на мочевину, аланин, аргинин, гистидин и другие аминокислоты. Сложные органические соединения, такие как АМФ, дофамин, аскорбиновая кислота, в растительных тканях разлагаются до простых ионных или газообразных продуктов, что дает возможность регистрировать их ионоселективными (газовыми) электродами. Иммобилизация тканевых срезов - укрытие под сеткой или под мембраной подкупает своей простотой. Например, дофамин регистрируют с помощью «бананотрода» - тонкого среза мякоти банана, иммобилизованного на О2электроде. Созданы датчики, в которых используют рецепторные системы различных организмов: пучок нервов или отдельные нервы из усов краба (биосенсор на аминокислоты и пуриновые основания), щупальца синих крабов, раков (биосенсоры на аминокислоты и гормоны), собачий нос (обнаружение контрабандных наркотиков и взрывчатки). Иногда предпочитают не весь рецепторный орган, а лишь клетки или даже их органеллы, непосредственно отвечающие за узнавание того или иного агента. Таковы биосенсоры с изолированными рецепторами растений на ауксины и токсины. Рецепторные биосенсоры дают быстрые ответы на детектируемый агент, высокоспецифичны, баснословно чувствительны: биосенсор на базе щупалец 50 атлантического синего краба отвечает на 10-13 моль/л глутамина. Однако изолированные рецепторы недостаточно стабильны. Продление их жизни ищут на путях инкапсулирования рецепторов в бислойные липидные мембраны, в том числе в липосомы. 6.13.Иммобилизованные ферменты в медицине. Иммобилизованные ферменты имеют огромное значение для медицины. В частности, большой рынок сбыта занимают тромболитические ферменты, предназначенные для борьбы с сердечнососудистыми заболеваниями. Так, в отечественную клиническую, практику внедрен препарат «стрептодеказа», содержащий стрептокиназу - активатор предшественника протеиназы плазмина, предотвращающий образование тромба в кровеносной системе. Ферменты, разрушающие некоторые незаменимые аминокислоты (например, аспарагиназа), используют для борьбы со злокачественным ростом опухолей. Протеолитические ферменты (трипсин, химотрипсин, субтилизин, коллагеназа), иммобилизованные на волокнистых материалах (целлюлоза, полиамидные волокна, декстран и др.), применяют для эффективного лечения ран, язв, ожогов, абсцессов, а их белковые ингибиторы - в заместительной терапии для лечения эмфиземы и панкреатитов. В 2004 г. появилось сообщение о том, что британская компания “Cell Tran”, разработала уникальную технологию заживления ран, которая, в перспективе, может существенно ускорить процесс реабилитации пациентов с тяжелыми ожогами или язвами. Материал, получивший название “MySkin”, представляет собой специальную мембрану, созданную из безопасного, с медицинской точки зрения, полимера. Поверхность мембраны покрыта питательным веществом, создающим благоприятные условия для размножения клеток. В процессе лечения у пациента сначала берется небольшой образец ткани, который затем выращивается в лаборатории до образования колонии. Далее клетки сформировавшейся кожи помещаются на мембрану, а повязка закрепляется на поврежденном участке тела. Поскольку бандаж “MySkin” использует ткани самого пациента, то выращенные клетки не только не отторгаются, но, напротив, очень быстро приживаются на ране. Как сообщается, повязки “MySkin” будут применяться, в первую очередь, при заживлении диабетических язв. Такие язвы могут оставаться открытыми в течение многих месяцев, доставляя немало проблем, как самим пациентам, так и лечащим врачам. Кроме того, бандажи “MySkin” смогут помочь людям, пострадавшим в пожарах. О сроках появления "самозаживляющих бинтов" в продаже пока ничего не известно, однако медики намерены вывести новый продукт на рынок как можно скорее. Исключительно важны с практической точки зрения работы, посвященные направленному транспорту лекарственных веществ. В этом отношении особенно выгодны инкапсулированные ферменты типа искусственной клетки. Так, микрокапсулы, стенки которых представлены оболочкой эритроцита («тень эритроцита»), а их содержимое заполнено ферментом аспарагиназой, переносятся кровотоком к зонам скопления аспарагина и поэтому применяются для лечения аспарагинзависимых опухолей, в частности саркомы. Колонки, заполненные микрокапсулами с ферментом, используют для диализа в аппарате «искусственная почка», которая работает в 100 раз эффективнее обычного аппарата. Таким образом, использование иммобилизованных ферментов во многих жизненно важных отраслях народного хозяйства становится все более массовым. Выгодное сочетание избирательности и эффективности с долговечностью и 51 стабильностью иммобилизованных ферментов в корне меняет химическое производство, способы добывания сырья, способствует созданию новых биотехнологических процессов и методов терапии, совершенствует медицинскую диагностику, анализ, органический синтез и оказывает огромное влияние на образ жизни человека. 7.РЕАКТОРЫ С ИММОБИЛИЗОВАННЫМИ КЛЕТКАМИ Каталитические системы с иммобилизованными клетками должны обеспечивать технологические и экономические преимущества по сравнению с традиционными процессами микробиологического синтеза на основе свободных клеток. Помимо свойств непосредственно иммобилизованного биокатализатора (нерастворимость, высокая активность, собственная система регенерации кофакторов и т.д.) важную роль в реализации таких преимуществ играет аппаратурное оформление процессов с иммобилизованными клетками, иными словами, выбор конструкции реакторов, где осуществляются биокаталитические процессы. Любую систему, у которой существует ограничивающая ее поверхность и в которой протекают биохимические процессы, называют реактором (биореактором). С точки зрения организации массопотоков реакторы, в том числе промышленные, могут работать в периодическом режиме, периодическом режиме с доливом субстрата, полунепрерывном (полупериодическом) и непрерывном поточном режимах. Высокая концентрация микроорганизмов в рабочем объеме реактора с иммобилизованными клетками определяет необходимость создания высоких скоростей массопередачи, что особенно важно для аэробных процессов, когда недостаточно интенсивная массоподача кислорода может лимитировать скорость образования целевого продукта. Эти требования приводят к необходимости перемешивания среды в рабочем объеме. Отсюда следует, что биокатализатор должен быть стоек к механическому истиранию его гранул и частиц. Тем не менее, механическая прочность иммобилизованных биокатализаторов часто бывает недостаточной, поэтому ее следует компенсировать путем разработки реакторов соответствующей конструкции. Исходя из этого удобно классифицировать реакторы для иммобилизованных клеток по относительному движению частиц твердой фазы (биокатализатора). По этому признаку все виды реакторов можно разделить на два типа - с отсутствием или с наличием движения частиц твердой фазы. Отметим, что типы реакторов по этой классификации достаточно условны и отражают лишь наиболее общие принципы их устройства и функционирования. На практике те или иные реакторы могут сочетать принципы обоих типов, представлять разнообразные их модификации. Рассмотрим более подробно конкретные виды реакторов. 52 Реактор периодического действия (рис.5а) устроен просто: он представляет собой емкость с мешалкой, в которую помещают биокатализатор и раствор субстрата (питательную среду). После окончания процесса, иммобилизованные клетки отделяют от продуктов центрифугированием или фильтрацией и биокаталитический цикл начинается с начала. Очевидно, что такие реакторы недостаточно производительны, характеризуются большими потерями биокатализатора и находят лишь ограниченное применение, хотя следует отметить, что для традиционной микробиологической промышленности, основанной на использовании свободных клеток микроорганизмов, такой тип реактора является наиболее распространенным. Проточный реактор с перемешиванием (рис.5б) отличается от предыдущего тем, что после каждого каталитического цикла отделение биокатализатора не происходит, субстрат периодически доливается, периодически же отделяются продукты. Эффективность такого реактора выше, чем у периодического. В идеальном проточном реакторе с перемешиванием содержимое находится в равновесном состоянии и система напоминает хемостат - один из вариантов непрерывного культивирования свободных клеток микроорганизмов. Проточные реакторы могут иметь неподвижный или перемешиваемый слой катализатора. Рассмотрим сначала реакторы с неподвижным слоем. Иммобилизованные клетки (в форме гранул, стружки, дисков, зерен, волокон и т.д.) могут быть легко упакованы в колонне, образуя неподвижный слой. Субстрат проходит через слой биокатализатора сверху или снизу. Если профиль потока жидкости точно перекрывает поперечное сечение реактора, то реактор работает по поршневому принципу. Концентрация субстрата максимальна на входе, а концентрация продуктов - на выходе из реактора, следовательно, эти реакторы особенно удобны для процессов, сопровождаемых ингибированием продуктами. Реакторы такого рода нашли промышленное применение, в частности для очистки сточных вод, получения уксусной, яблочной, аспарагиновой кислот, глюкозо-фруктозного сиропа, а также для процессов с иммобилизованными ферментами. Кроме проточного реактора с неподвижным слоем (рис.5в) применяют серию таких реакторов, а также проточный реактор с неподвижным слоем с рециркуляцией (рис.5г). Для микробиологических процессов, проходящих с выделением газов (при получении этанола, например, выделяется СО2), для эффективного их отвода целесообразно использовать наклонный проточный реактор или горизонтальный проточный реактор с фиксированным слоем биокатализатора (рис. 5д). Проточные реакторы с перемешиваемым слоем биокатализатора могут быть с взвешенным (псевдоожиженным или кипящим) слоем, а также движущимся фиксированным слоем. Реакторы с взвешенным слоем характеризуются тем, что субстрат поступает снизу достаточно быстро, так чтобы поддерживать частицы во взвешенном состоянии, но не настолько быстро, чтобы частицы уносились вместе с выходящим потоком жидкости. В данном случае реализуется режим, 53 промежуточный между полным перемешиванием (как в проточном реакторе с перемешиванием) и отсутствием перемешивания (как в реакторе поршневого типа). Схема реактора с перемешиванием представлена на рис.5е. Реакторы с взвешенным слоем целесообразно применять, когда псевдоожижение осуществляют газовой фазой (при аэрации или при выделении газа в катализируемом процессе), а также для переработки вязких субстратов. Рис.5 Типы реакторов а - периодического действия; б - проточный с перемешиванием; в - с неподвижным слоем (проточный); г - с рециклом; д - горизонтальный с неподвижным слоем; е - проточный с взвешенным (“кипящим”) слоем Относительная скорость движения жидкости и гранул в реакторах со взвешенным слоем невелика, что невыгодно с точки зрения обеспечения биокатализатора субстратом. Более удобными представляются реакторы с движущимся фиксированным слоем биокатализатора, когда расположение его гранул фиксировано друг относительно друга (это исключает также механическое повреждение гранул). Предложен ряд вариантов реакторов с вращающимся перфорированным контейнером (рис.6а), с кассетами диффузорами и мешалкой (рис.6б), а также 54 реакторы типа "активный ротор" с перфорированными кассетами, выполняющими роль мешалки (рис.6в). в Рис.6 Реакторы с движущимся фиксированным слоем биокатализатора а – с вращающимся перфорированным ротором; б – с кассетами – диффузорами; в – типа активный ротор В больших реакторах возникает эффект неоднородности слоя биокатализатора, вследствие чего поток жидкости проходит преимущественно по зонам с низким гидравлическим сопротивлением. Одним из возможных решений проблемы представляется использование проточных реакторов с упорядоченным расположением биокатализатора. Примером служит реактор с носителем в виде пакета пластин (пластинчатый реактор рис.7а,б), покрытых слоем микроорганизмов. Можно использовать и реактор, в корпусе которого заключена кассета (в том числе съемная), на которой размещена пленка-адсорбент или волокна, ерши и другие элементы, обладающие развитой поверхностью и 55 служащие адсорбентом микроорганизмов (рис.7в). К данной категории относится также горизонтальный реактор с параллельно расположенными вращающимися дисками, выполненными в виде кассеты, закрепленной на оси (рис.7г). Реактор с вращающимися дисками применяют для получения этанола, другие виды реакторов с упорядоченным расположением биокатализатора используют при очистке сточных вод, в процессах бактериального выщелачивания руд. 56 8. МЕМБРАННЫЕ РЕАКТОРЫ Мембранный реактор представляет собой аппарат, в котором одновременно осуществляется проведение двух процессов - управляемого культивирования свободных микроорганизмов в объеме реактора и удаление продуктов (и замены их субстратом) с помощью мембранного модуля. В зависимости от расположения мембранного модуля мембранные реакторы разделяют на те, у которых мембрана является элементом конструкции самого реактора, а также на реакторы с выносными фильтрационными модулями (по форме реакторы могут быть плоскими, половолокнистыми и др.). Эксплуатация реакторов первого типа происходит в более строго контролируемых условиях, однако замена мембраны осложнена (замена мембраны необходима, так как она неизбежно засоряется клеточными обломками и коллоидными частицами). Этот недостаток исключается в реакторах второго типа, однако им присуща опасность заражения, а также циклически неконтролируемых изменений давления и концентрации компонентов в выносном фильтрационном модуле. Материал фильтрационных мембран может быть различным - керамические и металлокерамические фильтры, стерилизуемые полимерные матрицы, ионообменные мембраны. По типу мембраны разделяются на фильтрационные и диализные: в первом случае массоперенос через мембрану осуществляется за счет разницы давления над и под мембраной; во втором - за счет градиента концентраций над и под мембраной. Принципиальная схема мембранного реактора, у которого мембрана является элементом его конструкции, приведена на рис.8а Реактор с выносным модулем представляет собой реактор с перемешиванием (с гомогенной средой) и циркуляцией среды через модуль. Третий тип мембранного реактора относится к тому случаю, когда клетки каким-либо образом прикреплены к мембране или находятся внутри самой мембраны. Чаще всего для этого используют мембраны, представляющие полые волокна, на поверхности которых закреплены клетки и через которые поступает субстрат и одновременно отводятся продукты (рис.8б). Модификацией такого реактора является реактор с двойными полыми волокнами (рис.8в), когда в пористое полое волокно большого диаметра (трубку) заключены полые пористые волокна меньшего диаметра и в межволоконном пространстве находятся клетки. Этот реактор целесообразно использовать, когда субстраты и (или) продукты находятся в жидкой и газообразной фазе. Газообразные компоненты реакционной системы подаются (удаляется) через стенку волокна большего диаметра, а жидкая компонента - через волокно меньшего диаметра. Установлено, что мембранные реакторы можно использовать для культивирования практически всех эукариотических и прокариотических микроорганизмов, как в аэробных, так и в анаэробных режимах. Их применяют, в частности, для получения ферментов, антибиотиков, витаминов, аминокислот, органических кислот, этанола, бутанола, ацетона, акриламида. 57 Мембранные реакторы относятся к ферментационному оборудованию нового поколения. В настоящее время ведутся исследования по использованию функциональных мембран с активными переносчиками, иммобилизованными ферментами, аффинными сорбентами и т.д. В настоящий момент применение мембранных реакторов тормозится определенным дефицитом мембранных материалов и необходимостью ломки традиций и стереотипов. 58 9. ПОЛИМЕРНЫЕ БИОМАТЕРИАЛЫ Под полимерными биоматериалами обычно понимают полимерные материалы и изделия из них, которые используются в медицине или биотехнологии. Такие материалы часто получают путем целенаправленного модифицирования хорошо известных полимеров. За последние годы значительно возросли ассортимент, масштабы производства и значение биоматериалов. Радиационно-химическая технология в настоящее время стала одним из наиболее эффективных способов получения полимерных биоматериалов. Работы по использованию радиационно-химических методов для синтеза полимерных биоматериалов проводятся в следующих направлениях: радиационное модифицирование различных полимеров и изделий из них с целью получения гемосовместимых (длительно работающих в контакте с кровью) полимеров, полимерных сорбентов, протезов сосудов и т.д.; иммобилизация различных биологически активных веществ (БАВ) (ферменты, лекарства и т.д.) в полимерные матрицы с использованием радиационной полимеризации; радиационно-химический синтез полимеров-носителей лекарственных препаратов; радиационное сшивание полимеров с целью получения механически прочных гидрогелей (носители БАВ, перевязочные материалы глазные линзы и т.д.). Преимуществом радиационно-химических методов получения полимерных биоматериалов по сравнению с традиционными является чистота материалов (нет необходимости добавлять дополнительные ингредиенты (инициаторы полимеризации) при синтезе), возможность проведения процессов при пониженных температурах и легкость регулирования скорости процессов путем изменения мощности дозы излучения. Достоинством радиационно-химических методов является также то, что биоматериалы в некоторых случаях можно стерилизовать на тех же источниках ионизирующих излучений, которые уже были использованы для их получения. Необходимо отметить, что в большинстве случаев для получения полимерных биоматериалов требуются небольшие дозы излучения, как правило, не превышающие 30 кГр, что позволяет использовать источники излучений невысокой мощности. Недостатком радиационно-химических методов является необходимость применения, как правило, сравнительно дорогостоящих и сложных в эксплуатации источников γ-излучения и электронных ускорителей. 9.1.Получение гемосовместимых полимерных материалов Получение гемосовместимых полимерных материалов - весьма сложная проблема. При контакте полимеров кровью инициируются биохимические реакции, вызывающие изменение физиологических функций крови, «запускается» свертывающая система крови с последующим тромбообразованием на поверхности полимера. Важными факторами, повышающими гемосовместимость полимеров, являются такие их свойства, как минимальная способность к адгезии и агрегации тромбоцитов, отсутствие активации контактных факторов свертывания крови, участие в реакции лизиса образующегося тромба и селективная способность к адсорбции белков плазмы крови, в особенности 59 альбумина. Согласно современным представлениям, первой стадией при контакте полимера с кровью является быстрая сорбция белков из плазмы крови. Природа и конформационное состояние белка определяют последующие биохимические реакции. Проблемы сорбции белков на различных полимерных поверхностях рассматривались в многочисленных исследованиях. К сожалению, в настоящее время уровень наших знаний не позволяет достаточно эффективно прогнозировать природу и свойства полимерной поверхности, полностью удовлетворяющей требованию гемосовместимости. Из изложенного ясно, что для получения гемосовместимых материалов поверхность полимеров необходимо модифицировать. С этой целью: 1. Создают полимеры с поверхностями, обладающими пониженной адсорбционной способностью по отношению к белкам и близкими по своей природе к естественной среде организма. В основном это гидрогелевые поверхности 2. Создают полимерные материалы с определенной доменной структурой поверхности (полиуретаны). 3. Создают углеродные полимерные материалы (полиацетилены). 4. Создают полимеры, поверхность в которых по своей природе моделирует антикоагулянты крови), что достигается введением в поверхностные слои полимеров сульфо- и карбоксильных групп, созданием отрицательного заряда на поверхности полимеров). Чаще всего стараются получить гепариноподобную поверхность, так как широко распространенный метод получения гемосовместимых материалов путем введения гепарина имеет ряд недостатков, обусловленных частичной утратой активности гепарина при ковалентной иммобилизации, его слабой антикомплементной активностью и биодеструкцией. 5. Вводят в поверхностные гидрогелевые слои физиологически активные вещества (антикоагулянты крови, ферменты и т.д.), взаимо-действующие с компонентами крови и приостанавливающие процесс тромбообразования. При выборе метода модифицирования поверхности полимеров необходимо учитывать, что основные физико-механические показатели исходного полимера при модифицировании не должны существенно измениться. Одним из наиболее эффективных методов модифицирования полимеров является радиационная прививочная полимеризация. Достоинствами ее как метода модифицирования полимерных материалов с целью повышения их гемосовместимости являются, во-первых, высокая универсальность, позволяющая в широком диапазоне температур модифицировать практически любые полимерные материалы (шовный материал, катетеры, трубки, таблетки, порошки, трансплантаты и т.д.); во-вторых, возможность создания на поверхности полимеров модифицированных слоев различной толщины. Толщина слоя зависит от условий проведения прививочной полимеризации — мощности дозы, выбора растворителя для мономера и т.д. При этом модифицированный слой прочно связан с подложкой и не отмывается при контакте со средой живого организма. Все это способствует достаточно широкому использованию радиационной прививочной полимеризации для решения проблем, связанных с повышением гемосовместимости различных полимерных материалов и изделий из них. Основ60 ной задачей таких исследований является создание полимеров с функционализированной поверхностью, определенными гидрофильногидрофобными свойствами и отрицательным зарядом на поверхности. Значительное количество работ выполнено по модифицированию различных полимеров с использованием высокогидрофильных мономеров, таких как Nвинилпирролидон, 2-гидроксиэтил-метакрилат, акриламид и его производные. В ряде исследований для модификации брали достаточно сложные сополимеры. Так, для производства протезов сосудов использовали, в основном, полиуретаны, полиэфиры и натуральный каучук. Радиационную прививочную полимеризацию в большинстве случаев осуществляли прямым методом из водно-спиртовых растворов при небольших дозах облучения. В некоторых случаях, особенно при прививке акриламида, применяли метод с предоблучением. В результате проведенных работ получены разнообразные модифицированные полимерные материалы с гидрогелевыми поверхностями. Эти материалы достаточно прочны, мягки и обладают высокой набухаемостью в воде. Биомакромолекулы в таких материалах характеризуются повышенной диффузией. Полимерные гидрогели, полученные радиационно-химическими методами, испытаны на гемосовместимость в экспериментах in vitro и in vivo на обезьянах, овцах и собаках. В обобщенном виде испытания на гемосовместимость радиационно-привитых полимерных гидрогелей показали следующее: с повышением содержания воды от 15 до 85% происходит уменьшение сорбции белков и повышается скорость десорбции, на гидрогелях имеет место тромбообразование, но связь тромбов с гидрогелевой поверхностью заметно ослаблена по сравнению с их связью с немодифицированными полимерами. Существенно важным является значительное понижение поверхностного натяжения между гидрогелем и водным раствором. Гидрогелевое покрытие на полимерах должно быть приготовлено из очень чистых мономеров. Так, незначительная примесь метакриловой кислоты Б 2-гидроксиэтилметакрилате значительно ухудшает качество гидрогелевого покрытия и его гемосовместимые свойства. Интересные результаты были получены при изучении радиационно привитых на полиэтилен (ПЭ) сополимеров 2-гидроксиэтилметакрилата (гидрофильный мономер) с этилметакрилатом (гидрофобный мономер). При низком содержании воды (~ 10%) указанные привитые сополимеры характеризовались неожиданно низкими показателями адсорбции тромбоцитов, что было обусловлено не содержанием воды, а составом сополимера. При более высоком содержании воды адсорбция тромбоцитов обратно пропорциональна содержанию воды. Очевидно, что состав сополимера и состояние воды в нем имеют важное значение. Поверхность радиационно-привитых сополимеров очень неоднородна (имеются бугры, выступы и т.д.), толщина модифицированного слоя, как правило, 15-45 мкм. Предполагается, что для повышения гемосовместимости необходимо определенное сочетание на поверхности гидрофильных и гидрофобных участков. 61 9.2. Использование радиационного сшивания для получения полимерных биоматериалов В настоящее время существенно возрос интерес к получению полимерных биоматериалов путем радиационного сшивания. Этот метод наиболее часто применяется для получения гидрогелей, главным образом на основе полиакриламида, поливинилового спирта, полиэтиленоксида и поли(Nвинилпирролидона). Преимуществом радиационного сшивания является сравнительная простота выполнения, возможность широкого регулирования густоты сетки путем подбора условий облучения (мощность дозы, доза), возможность использования пониженных температур, чистота получаемого продукта (отсутствие инициаторов) и одновременная стерилизация. Радиационно-сшитые гидрогели используются как носители БАВ (ферменты, лекарства и т.д.) в качестве имплантантов, протезов, глазных линз, медицинских мембран, перевязочных материалов и биологических сред для изучения и культивирования микроорганизмов. На основе радиационно-сшитого поливинилового спирта получены биомембраны для селективного транспорта макромолекул, а также материалы, использующиеся в качестве суставных хрящей. Показана перспективность использование гидрогелей поливинилового спирта в качестве перевязочного материала и отмечено его преимущество перед марлей: гомогенная адгезия по всей ране и легкое удаление без повреждения кожи. Гидрогели на основе поли(N-винилпирролидона) обладают высокой гидрофильностью и хорошей биосовместимостью и могут использоваться в качестве материала для лечения ожоговых ран и трофических язв. Данные материалы продаются в Польше под торговыми марками “HDR” и “AQUA-Gel”. Разработана терапевтическая система на основе геля поли(N-винилпирролидона) для использования в акушерской практике для ускорения родов и производства абортов. В этом случае гель представляет собой тонкий стержень, содержащий простагландин. Технология получения гидрогелей для перевязочных материалов в настоящее время достаточно подробно разработана, и они прошли широкие клинические испытания. Важно, что есть возможность получать гели для перевязок, содержащие лекарственные препараты (например, хлорамфени-кол). При больших ранениях такой гидрогель существенно эффективней обычных перевязочных материалов. В медицине применяются покрытия силиконового каучука коллагеном с последующим радиационным сшиванием и стерилизацией. Другим природным продуктом, который используется для получения биоматериалов, является желатин. Изучен радиолиз желатины, выявлены условия образования пространственных структур при облучении ее растворов. Предложено использовать радиационно-сшитую композицию поливинилового спирта с желатином в качестве перевязочного материала. Радиационное сшивание использовано для изготовления медицинских изделий из полисилоксанов: биологически инертных пористых шнуров, шприцованных трубок, капилляров и разных имплантантов. При радиационном сшивании полидиметилсилоксана в особочистых условиях существенно 62 повышается его гемосовместимость. Радиационносшитый поливинилметилсилоксан использован для изготовления тонких мембран для получения лекарственных препаратов (например, левоноргистрел). Радиационное сшивание транс-1,4-полиизопрена использовано для создания термоусадочных материалов для связывания крупных кровеносных сосудов. Материалы прошли широкие испытания in vitro и in vivo (на собаках). Радиационное модифицирование позволяет улучшить свойства медицинских протезов на основе полиолефинов. С использованием радиационного сшивания получены также полимерные биоматериалы, обладающие повышенной адгезией к коже человека. В Израиле налажен выпуск синтетического перевязочного материала, получаемого путем радиационной прививки гидрофильных мономеров на полиуретан. Материал водонепроницаем, прозрачен, хорошо прикрепляется к коже и пропускает лекарства. Материал выпускается под названием «Омидерм». Разработаны методы получения искусственной роговой оболочки и контактных линз с высокой набухаемостью в воде на основе радиационносшитого поливинилового спирта с добавкой хондроитинсульфата натрия. Для существенного повышения проницаемости контактных линз по кислороду предложено облучать их ускоренными тяжелыми ионами массой 2-100. С использованием радиационной полимеризации созданы гидро-гелевые материалы для мягких контактных линз. Эти материалы производятся в КНР. Для создания офтальмологических материалов нашел применение радиационно-сшитый коллаген, выделенный из склеры глаза животных. Этот материал использован для создания временных аллодренажей при антиглаукоматозных операциях. Несомненно, что в ближайшие годы можно ожидать появления на рынке новых полимерных биоматериалов, полученных с использованием методов радиационной полимеризации. 9.3. Получение полимерных имплантантов Технические приемы и методы, которые используются в радиационной полимеризации могут быть применены для получения различного рода имплантантов, главным образом для лечения пораженных участков кожи, а также для создания протезов. Разработаны методы получения имплантантов коллагена путем облучения смеси мономеров или полимеров с коллагеном. Имплантанты хорошо совместимы с кровью и не вызывают воспалений. Имплантанты применяются в хирургии и могут использоваться как субстраты в биотехнологии. Изучены протезы на основе полиэфируретана с радиационно модифицированной внутренней поверхностью. Модифицирование осуществлялось путем радиационной прививки 2-гидрокси-метилакрилата или акриламида на внутреннюю поверхность трубок. Протезы изучались in vivo. Исследованы гистологические и механические свойства протезов. Установлена их повышенная тромборезистентность. Разработан метод модифицирования наполнителей для полимеров, используемых в зубоврачебной технике. Наполнители на основе стеклянных или кварцевых волокон модифицированы радиационной прививкой акриловой кислоты из паровой фазы. Подробно изучены физико-механические 63 свойства смол, содержащих различное количество модифицированного наполнителя. Отмечены преимущества используемого модифицированного наполнителя по сравнению с наполнителем, модифицированным силанами. С использованием облучения смесей глинозема с акриловой кислотой созданы полимерно-керамические материалы для стоматологии. С помощью радиационной прививочной полимеризации созданы имплантанты для лечения кожи на пораженных ожогом участках человеческого тела. Для этой цели обычно используют силиконовый каучук, модифицированный прививкой гидрофильных мономеров или модифицированный вулканизованный натуральный каучук. С использованием радиационной технологии создан метод гидрофилизации силиконовых контактных глазных линз. В результате гидрофилизации краевой угол снижается с 150° до 20°, а эффект гидрофильности сохраняется длительное время. Радиационно-модифицированные полимеры использованы для инициирования роста различных клеток 9.4. Иммобилизация лекарственных препаратов В области использования радиационной полимеризации для иммобилизации лекарственных веществ наибольшие успехи достигнуты при иммобилизации противоопухолевых составов в полимерные матрицы. В качестве противоопухолевых веществ используются адриамицин, митомицин-С и 5фторурацил. В ряде случаев лечение иммобилизованными противоопухолевыми препаратами сочетается с гормонотерапией. Иммобилизованные противоопухолевые вещества, как правило, используются в виде полимерных таблеток или игл, которые вводятся в опухоль. Применение иммобилизованных противоопухолевых препаратов имеет следующие преимущества по сравнению с их введением в виде инъекций или орально: небольшая концентрация лекарственных препаратов в крови, лекарство распределяется непосредственно в небольшой области от введенного препарата. При этом имеет место некроз раковых клеток в пределах 0.5-1 см2 около образца, а диффузия противоопухолевых препаратов прекращается в некрозном слое. Это сводит к минимуму побочные эффекты от применения лекарств. Длительность использования иммобилизованных противоопухолевых препаратов — несколько месяцев. При этом скорость выделения лекарств не изменяется. Такие препараты прошли широкие испытания во многих клиниках Японии. Для иммобилизации противоопухолевых препаратов обычно используют различные сополимеры и композиции полиэтиленгликоль-метакрилатов с различными полимерами (полистирол, поливинилформаль, полиэтиленгликоль, полиметилметакрилат, полиэтиленоксид). Подчеркивается, что облучение необходимо проводить в бескислородной среде, а доза не должна превышать 10 кГр, в противном случае активность противоопухолевых препаратов существенно снижается Скорость выделения лекарств регулируют введением в полимерную матрицу порообразующего агента или адсорбента (например, активированного угля). Технология использования иммобилизованных противоопухолевых 64 препаратов может быть улучшена за счет варьирования гидрофильногидрофобных свойств полимерной матрицы, а также использования биодеградируемых полимеров (полипептиды или полилактиды). В Пастеровском институте (Париж) в рамках программы Международ-ного агенства по атомной энергии (МАГАТЭ) проведены исследования с иммобилизованными моноклональными антителами. Иммобилизация последних осуществлена путем низкотемпературной полимеризации 2-гидроксиэтилметакрилата. Чувствительность реакций иммобилизованного антитела с антигеном зависит от выбора мономера и его концентрации для создания пористой среды. Важной проблемой является минимизация неспецифических реакций полимерного носителя с антигеном. Для этого необходимо увеличивать гидрофобность полимерной матрицы. Иммобилизованные препараты обычно изготавливаются в виде микросфер или микрокапсул. Для иммобилизации антител используются также микросферы, получаемые полимеризацией акролеина или его сополимеры с 2-гидроксиэтилметакрилатом или метакриловой кислотой. Преимуществом радиационной полимеризации для иммобилизации антител является достаточно высокая чистота получаемого продукта. Эти препараты можно использовать для иммунологического анализа. Проведены исследования по иммобилизации антагониста кальция в предварительно полимеризованный гель поли (2-гидроксиэтилметакрилата). Путем радиационного сшивания геля и добавок метилметакрилата и Nвинилпирролидона можно широко варьировать скорость выделения лекарства. Исследована иммобилизация гидрокортизона в гели, полученные радиационной полимеризацией акриловой кислоты. Скорость выделения регулируется дозой облучения и обработкой гелей ацетатом цинка. 9.5. Иммобилизация компонентов крови Одной из актуальнейших проблем в настоящее время является создание искусственных кровезаменителей, которые могли бы длительное время храниться при обычных условиях не требуя сложной и дорогой аппаратуры. Одним из наиболее перспективных направлений является иммобилизация различных компонентов крови в полимерные композиции с использованием прежде всего радиационных методов полимеризации. Так гемоглобин был иммобилизован в полимерную матрицу из поли(2гидроксиэтилметакрилата) с использованием радиационной низкотемпера-турной полимеризации. Особое внимание было уделено выбору оптимальных условий иммобилизации для защиты гемоглобина. Гемоглобин удобен для изучения состояния иммобилизованной молекулы в полимерной матрице, так как он имеет характерное оптическое поглощение. Гемоглобин в мембране подвергался обратимой оксигенации, которая имеет почти то же самое значение, что и в нативном гемоглобине. Описан способ получения полу-синтетической крови на основе иммобилизованного карбоксигемоглобина. В работах для иммобилизации гемоглобина использована радиационная полимеризация фосфолипидов. Фосфолипиды содержали две длинные полимеризуемые октадекадиенильные группы. Искусственные красные кровяные 65 клетки были получены путем капсулирования гемоглобина с использованием радиационной полимеризации бислойных фосфолипидов — липосом. Искусственные кровяные клетки оказались механически стабильными, легко выдерживали замораживание. Кислородный транспорт подобных систем оказался подобен транспорту нативного гемоглобина. Проводились испытания in vivo (мыши), которые указали на биосовместимость таких клеток. 9.6. Получение «умных» полимеров и их использование для иммобилизации биологически активных веществ За последние годы все возрастающее значение для медицины и биотехнологии приобретают «умные» полимеры. Так называют полимеры, способные реагировать (сжиматься или набухать) на небольшие изменения во внешней среде (температура, рН, электрическое поле и т.д.). «Умные» полимеры с иммобилизованными БАВ используются для выделения лекарств при определенных условиях, как правило, при заданной температуре или рН. Обычно «умные» полимеры получают традиционными методами, однако в последнее время, для этой цели стала использоваться также радиационная полимеризация. Среди «умных» полимеров наибольшее число публикаций посвящено поли(Nизопропилакриламиду) (поли-N-ИПАА). Данный полимер имеет в воде нижнюю критическую температуру растворения (НКТР) ~32°С, т.е. близкую к температуре человеческого тела. Выше 32°С происходит фазовое разделение, обусловленное конформационным переходом макромолекулы поли-N-ИПАА из рыхлой глобулы в компактный клубок, что сопровождается резким уменьшением размеров макромолекулы. Было изучено поведение гидрогелей, полученных на основе поли(Nизопропилакриламида) и скорость диффузии иммобилизованных в них лекарственных препаратов в условиях имитирующих человеческий организм. Было установлено, что при 370С и рН=1,4 (нормальные условия в желудке человека) происходит медленное выделение иммобилизованных в гидрогель индометацина и амилазы, но при изменении величины рН до 7,4 (условия в кишечнике) выделение лекарств значительно ускоряется. Таким образом, можно создавать лекарственные формы, позволяющие доставлять препарат к пораженному органу без значительных потерь. Другим направлением использования таких “умных” полимеров является создание сигнал-чувствительных систем, состоящих из биосенсора, активатора и резервуара для коррекции нарушений в работе различных органов в организме человека. Так для больных диабетом разрабатываются специальные системы с биосенсором на глюкозу, которые запускаются по принципу включение выключение для выделения определенных порций инсулина, иммобилизованного в гелях, т.е. работающие по принципу поджелудочной железы. 66 10. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ Тема: Инженерная энзимология Цель занятия: Повторение и закрепление раздела посвященного применению в производстве, экологии и медицине чистых и иммобилизованных ферментных препаратов и клеток, а так же методам их получения и технологическом оформлении процессов на их основе. План занятия 1. 2. 3. 4. Установка преподавателя о порядке проведения занятия. Сдача студентами теоретической части лабораторной работы. Самостоятельная работа студентов (лабораторная работа №1 и №2). Оформление отчета по выполненной лабораторной работе. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ ГИДРОЛИЗ N-АЦЕТИЛАЛАНИНА: ПРИМЕР ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОГО ПРОЦЕССА Цель работы: ознакомление с методами ферментативного разделения оптических изомеров аминокислот, овладение лабораторными навыками проведения таких процессов, определение выхода целевого продукта. Теоретическая часть: Биологические процессы катализируются ферментами. Многие ферменты обладают высокой каталитической селективностью и могут селективно катализировать реакции только с одним из энантиомеров в рацемате. В современной химии ферменты используются во многих процессах in vitro, особенно в синтезе оптически чистых продуктов. В данном эксперименте изучается гидролиз N-ацетилаланина в присутствии фермента ацилазы I. 67 За ходом реакции можно следить, если в реакционную смесь добавить нингидрин, который взаимодействует с образующимся аланином, давая яркое пурпурное окрашивание раствора: Ход работы: Растворите рацемат N-ацетилаланина (262 мг; 2,0 ммоль) в 10 мл воды. Медленно, при осторожном перемешивании прибавляйте раствор моногидрата гидроксида лития (84 мг; 2,0 ммоль) в воде (4 мл) до тех пор, пока рН раствора не станет равным 7. Контролируйте рН лакмусовой бумагой. В течение 2 минут, при интенсивном перемешивании прибавьте раствор ацилазы I (10 мг) в воде (водный раствор ацилазы I готовится следующим образом: навеска фермента добавляется к 5 мл воды, затем раствор отфильтровывается на стеклянном фильтре, покрытом диатомитом). После этого доведите объем раствора водой до 20,0 мл (точно). Поместите реакционную смесь в водяную баню (37°С) на 60 минут. Затем перенесите ровно 0,25 мл (для этого используйте шприц или мерную пипетку) реакционной смеси в пробирку и добавьте туда нингидрин (Sigma N 1632) (1,25 мл). Эту смесь нагревайте в кипящей воде в течение 20 минут, при этом появится интенсивная пурпурная окраска. После охлаждения аккуратно добавьте содержимое пробирки к буферному раствору, состоящему из 4 М литийацетатного водного буфера (рН = 5,2) и диметилсульфоксида в соотношении 1:3, находящемуся в мерной колбе на 250 мл. Доведите объем раствора до 250 мл. Измерьте оптическую плотность на спектрофотометре при λ = 592 нм. В качестве стандарта используйте раствор нингидрина в том же литий-ацетатном буфере в диметилсульфоксиде. (ε пурпурного комплекса = 13350 л . Моль-1 . см-1) Запишите следующие данные: 1. Начальную концентрацию рацемического N-ацетилаланина. 2. Значение оптической плотности при λ = 592 нм. 3. Используя закон Бугера-Ламберта-Бера, рассчитайте количество аланина (в ммоль), образовавшегося в результате ферментативной реакции. 4. Рассчитайте степень превращения. 68 5. Если позволяет время, остановите реакцию и определите концентрацию аланина через 10, 25, 40 и 60 минут после начала реакции. Постройте график зависимости концентрации аланина от времени и оцените оптимальное время проведения реакции. Контрольные вопросы 1. Будет ли образующийся аланин оптически активен: да или нет? 2. Будет ли непрореагировавший N-ацетилаланин: (1) оптически неактивен, (2) обогащен одним из энантиомеров, (3) оптически чист, если степень превращения меньше 50%? 3. Будет ли непрореагировавший N-ацетил аланин: (1) оптически неактивен, (2) обогащен одним из энантиомеров, (3) оптически чист, если степень превращения составит ровно 50%? 4. Достижима ли степень превращения больше 50%, да_или нет? ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 В ПОЛУЧЕНИЕ 6-АМИНОПЕНИЦИЛЛАНОВОЙ КИСЛОТЫ ГИДРОЛИЗОМ БЕНЗИЛПЕНИЦИЛЛИНА С ПОМОЩЬЮ ПЕНИЦИЛЛИНАЦИЛАЗЫ, ИММОБИЛИЗОВАННОЙ ПОЛИАКРИЛАМИДНЫЙ ГЕЛЬ Цель работы: ознакомление с технологией получения 6-аминопенициллановой кислоты гидролизом бензилпенициллина с помощью иммобилизованного фермента, овладение лабораторными навыками проведения процессов с иммобилизованными ферментами, определение выхода продукта. Теоретическая часть: 6-Аминопенициллановая кислота (6-АПК) является полупродуктом в химическом синтезе ряда полусинтетических антибиотиков. Современная технология получения 6-АПК складывается из следующих основных стадий: 1. Получение биомассы клеток микроорганизма E.coli, содержащих фермент пенициллинацилазу.: 2. Выделение и очистка фермента пенициллинацилазы. 3. Иммобилизация фермента в полиакриламидный гель. 4. Получение 6-АПК. Последняя стадия включает в себя проведение следующих операций: а) гидролиз бензилпенициллина с помощью иммобилизованного фермента; б) осветление гидролизной жидкости углем и отделение угля; в) осаждение 6-АПК в изоэлектрической точке; 69 г) фильтрация и промывка полученного осадка 6-АПК водой и органическим растворителем; д) вакуум-сушка готового продукта. Клетки микроорганизма E.coliI выращивают методом глубинной ферментации в течение 24 ч. в слабощелочном растворе при температуре 25°С, при постоянном перемешивании и аэрации, на среде, содержащей очищенный кукурузный экстракт и фенилуксусную кислоту. По окончании ферментации клетки E.coli отделяют от культуральной жидкости сепарацией. Полученную пасту направляют на переработку с целью извлечения из неё фермента. Для этого проводят следующие технологические операции: а) извлечение пенициллинацилазы из клеток Е.coli экстракцией нагретым до 0 40 С O,9%-м раствором бутилацетата в воде при рН=8 и отделение отработанных клеток фильтрацией; б) осаждение неактивных примесей (балластных белков) из бесклеточного экстракта; Процесс проводят при температуре 5-8°С путем добавления к экстракту до концентрации 20% сухого сульфата аммония, полученный раствор перемешивают в течение 0,5 ч и отделяют выпавшие балластные белки сепарацией; в) осаждение активного белка (фермента) и его отделение; Для этого к осветленному на предыдущей операции экстракту при температуре 5-8°С вновь добавляют до уровня 12% сульфат аммония и полученную смесь выдерживают до 20 ч, из экстракта выпадает осадок, содержащий преимущественно целевой фермент пенициллинацилазу, который впоследствии отделяют от маточника сепарацией и направляют на вакуум-сушку; г) вакуум-сушка полученного фермента. Приготовленный таким образом ферментный препарат подвергают иммобилизации в полиакриламидный гель. Получение иммобилизованной пенициллинацилазы состоит в радикальной сополимеризации акриламида и N, N’-метилен-бис-акриламида в водной среде в присутствии инициаторов - персульфата аммония (NH4)2S2O8 и N, N,N’,N’ тетраметилендиамина. В реакционную смесь вводится бифункциональный реагент- глутаровый альдегид (ГА) под действием которого молекулы ферментаковаленню связываются с мономерами и сшиваются друг с другом. Приготовление иммобилизованного фермента завершают промывкой полученного геля водой. Процесс получение 6-АПК включает в себя последовательное проведение ряда вышеуказанных операций, выполнение которых и составляет экспериментальную часть данной лабораторной работы. Ход работы: Гидролиз бензилпенициллина под действием иммобилизованного фермента можно представить следующим стехиометрическим уравнением; 70 O H2C C HN S +H2O , пенициллинацилаза CH3 CH3 N O _ COOH CH2 COOH Бензилпенициллин H2N S N O CH3 CH3 COOH 6 - Àì èí î ï åí èöèëëàí î âàÿ êèñëî òà (6-ÀÏ Ê) Гидролиз проводят в стеклянном пятигорловом реакторе, снабженном водяной "рубашкой”. В реактор введена мешалка, электроды и термокомпенсатор рН-метра. В реактор заливают 100 см3 дистиллированной воды. В рубашку реактора из термостата подают нагретую до температуры 41°С воду. В реактор вносят точную навеску (5 г) соли бензилпенициллина и включают мешалку. После полного растворения соли в раствор вносят I мл концентрированной ортофосфорной кислоты, 15 г гель-фермента и производят начальный отсчёт времени. Момент внесения фермента считает началом времени гидролиза. В течение гидролиза реакционную смесь подвергают достаточно интенсивному перемешиванию. Гидролиз проводят при значениях рН в пределах 7,5-7,6, величина которого поддерживается добавлением из бюретки 12,5%-го раствора гидроксида аммония. По ходу процесса каждые 15 мин записывают объем, пошедшей на подтитровку щелочи. С течением времени скорость гидролиза уменьшается и в зависимости от активности фермента процесс заканчивается через 1,5-2 ч. Окончание гидролиза определяется по установившемуся постоянному значении рН раствора. По завершению гидролиза реакционную смесь выгружают из реактора на воронку Бюхнера, где осадок отфильтровывают через плотный бумажный фильтр. Освобожденный от гель-фермента гидролизат переливают в мерный цилиндр, измеряют его объем и переносят в коническую колбу вместимостью 500 мл. Содержимое колбы охлаждают до температуры 40С в токе холодной воды или на водяной бане со льдом. Далее проводят осветление гидролизата активированным углем. Для этого в колбу с охлажденным гидролизатом вносят активированный уголь марки "Е", взятого из расчета на каждые 100 мл гидролизата по 1г угля. После внесения угля содержимое колбы в течение 15 мин перемешивают. Затем уголь отделяют от гидролизата фильтрованием на, воронке Бюхнера. Осветленную жидкость переливают в химический стакан вместимостью 250 мл в токе холодной воды или в бане с тающим льдом и охлаждают до температуры 6-8°С. После этого 71 стакан устанавливают на столик магнитной мешалки, вводят электроды и_термокомпенсатор рН-метра. При включенной мешалке из бюретки по каплям добавляют 18-20%- ую соляную кислоту до тех пор, пока значение рН не достигнет 3,9-4,1.В. Этом интервале значений начинают выпадать кристаллы 6АПК. Стакан с реакционной массой снимают с мешалки, переносят в баню со льдом или холодильник, где выдерживают не менее 2 часов. Полученный осадок отфильтровывают на воронке Бюхнера и дважды промывают охлажденной до 4-ЗсС дистиллированной водой порциями по объёму примерно вдвое больше объема полученного осадка. Промытый водой осадок подсушивают на той же воронке Бюхнера и дважды промывают ацетоном порциями по объёму вдвое большими, чем объем осадка. Ацетон тщательно отсасывают и 6-АПК переносят в предварительно взвешенную чашку Петри, изготовленную из тонкого, стекла или пластмассы. Окончательное высушивание продукта производят в вакуум-сушильном шкафу при температуре 45-50°С и остаточном давлении 2,5-4,0; кПа до постоянной массы. По окончании работы оценивают выход 6-АПК в расчете на прогидролизованнный бензилпенициллин. Для этого по химическому уравнению гидролиза бензилпенициллина и количеству израсходованной щелочи сначала находят число разложившихся молей бензилпенициллина. Далее определяют процентное соотношение массы полученного выше осадка 6-АПК, пересчитанное на число молей, к количеству молей прогидролизованного бензилпенициллина. Контрольные вопросы 1. Каковы основные технологические стадии получений 6-АПК с помощью иммобилизованных ферментов? Дайте их краткую характеристику. Каково назначение 6-АПК? 2. Какие продукты (основные и побочные) могут получаться в результате гидролиза бензилпенициллина? 3. Каковы Ваши предложения по утилизации фенилуксусной кислоты, остающейся в гидролизате после осаждения из него кристаллов 6-АПК? 4. Каковы основные стадии процесса получения иммобилизованного фермента пенициллинапилазы? Какова роль персульфата аммония и глутарового альдегида при получении иммобилизованного фермента? 5. Какие, на Ваш взгляд, возможны пути повышение интенсификации процесса получения 6-АПК из солей бензилпенициллина и снижения себестоимости готового продукта? 6. Каково назначение ортофосфорной кислоты, добавляемой к водному раствору бензилпенициллина перед началом гидролиза? 7. Какое влияние могут оказать изменения температуры и рН раствора на процесс получения 6-АПК путем гидролиза бензилпенициллина? 8. Какие технологические преимущества имеет вышеописанный способ получения 6-АПК по сравнению с технологией получения 6-АПК в результате направленного химического синтеза? 72 11. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА . 11.1. Основная литература 1. Учебно-методические разработки для практических занятий по биотехнологии лекарственных средств./ Под ред. В.А. Быкова. - М.: ММА им. И.М.Сеченова, 1993. - 176 с. 2. Биотехнология: Учебное пособие для ВУЗов. В 8 кн./Под ред. Н.С.Егорова, В.Д. Самуилова. - М.: Высшая школа, 1987. 3. Б.Глик, Дж.Пастернак. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. М. “Мир”. 2002.- 590 с. 4. Т.А Егорова, С.М.Клунова, Е,А,Живухина. Основы биотехнологии. Издательский центр “Академия”, М. 2003.-208 с. 5. Елинов Н.П. Основы биотехнологии. Издательская фирма "Наука", СПБ, 1995.-600 с. 6. Егоров Н.С. Основы учения об антибиотиках: Учебник.- М.: Изд-во МГУ, 1994.-512 с. 7. Сниииин А.П., Райнииа Е.И., Лозинский В.И., Спасов С.Д. Иммобилизованные клетки микроорганизмов. - М.: Изд-во МГУ, 1994. - 288 с. 8. Биотехнология. Принципы и применение. - Пер. с англ./ Под ред. И. Хиггинса, Д.Беста, Дж. Джойса. - М.: Мир, 1988. 9. Иммобилизованные клетки и ферменты. - Пер. с англ./ Под ред. Дж. Вудворта.-М.: Мир, 1988. 10. Биотехнология лекарственных средств. Учебное пособие./Под ред. В.А. Быкова и М.В. Далина. - М.: Медбиоэкономика, 1991. - 303 с. 11.2 Дополнительная литература Краткий терминологический словарь микробиолога-биотехнолога. - М.: Наука, 1989. - 136 с. 2. Государственная фармакопея СССР. Вып.2. Общие методы анализа. – М.: Медицина, 11 изд., 1990. - 398 с. 3. Промышленная микробиология / Под ред. Н.С. Егорова. - М.: Высшая школа, 1989.-687 с. 4. Современная генетика/ Под ред. Ф. Айала, Д. Кайчур. - М.: Мир, 1987. 5. Молекулярные и клеточные аспекты биотехнологии / Под ред. С.Г. Инге-Вечтомова. - Л.: Наука, 1986. - 256 с. 6. Сазыкин Ю.О. Антибиотики как биохимические реагенты. - М.: ВИНИТИ, 1984.-203 с. 7. Самуилов В.Д., Олескин А.В. Технологическая биоэнергетика. М.: Изд-во МГУ,1994.- 192 с. 8. Шилова С.В.,Пузакова С.М. и др. Организация производства лекарственных средств с учетом правил GMP. Химико-фармацевтическое производство, обзорная информация. - М.: ВНИИСЭНТИ, 1990.- 36 с. 10. Саруханов А.В., Быков В.А. Оборудование микробиологических производств: Справочник. - М.: Колос, 1993. - 384 с. 11. Сниииин А.П., Райнииа Е.И., Лозинский В.И., Спасов С.Д. Иммобилизованные клетки микроорганизмов. - М.: Изд-во МГУ, 1994. - 288 с. 12. Фармацевтическая микробиология/ под ред. проф. В.А.Галынкина, проф. В.И.Кочеровца.- ЗАО “Арнебия”, 2003г. - с. 1. 73 СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение. 2. Применение ферментов 3. “Каталитические антитела”: Перспективы использования в органическом синтезе. 4. Рибозимы 5. Инженерная энзимология, ее задачи. 5.1. Иммобилизованные ферменты 5.1.1. Носители для иммобилизации ферментов 5.1.2. Методы иммобилизации ферментов 5.2. Иммобилизация клеток 6. Промышленные процессы с использованием иммобилизованных ферментов и клеток 6.1. Получение глюкозофруктозных сиропов 6.2. Биотрансформация других углеводов. 6.3. Получение L-аминокислот из их рацемических смесей. 6.4. Получение L-аспарагиновой кислоты. 6.5. Получение L-аланина. 6.6. Получение органических кислот. 6.7. Получение антибиотиков 6.8. Трансформация стероидов. 6.9. Получение ферментов 6.10. Применение иммобилизованных клеток для утилизации отходов 6.11. Биогеотехнология 6.12. Биосенсоры на основе иммобилизованных ферментов 6.13. Иммобилизованные ферменты в медицине 7. Реакторы с иммобилизованными клетками 8. Мембранные реакторы 9. Полимерные биоматериалы 9.1. Получение гемосовместимых полимерных материалов 9.2. Использование радиационного сшивания для получения полимерных биоматериалов 9.3. Получение полимерных имплантантов 9.4. Иммобилизация лекарственных препаратов 9.5. Иммобилизация компонентов крови 9.6. Получение “умных” полимеров и их использование для иммобилизации биологически активных веществ 10. Лабораторный практикум Лабораторная работа №1 Лабораторная работа №2 11. Рекомендуемая литература 3 4 10 16 19 20 21 22 27 28 28 29 32 32 33 33 37 39 41 41 45 47 51 52 57 59 59 62 63 64 65 66 67 67 69 73 74
