Введение в предмет Лекция 1 План лекции: 1. Общие принципы иммобилизации. 2. Иммобилизация ферментов как составная часть инженерной энзимологии. 3. Преимущества иммобилизованных клеток. 4. История развития методов иммобилизации. 5. Крупномасштабные промышленные процессы на основе иммобилизованных клеток и ферментов. Что такое иммобилизация? Иммобилизация – это процесс фиксации биологического объекта (фермент, клетка) на носителе или в носителе с помощью физических либо химических сил. Иммобилизация на носителе Иммобилизация в носителе Что такое иммобилизация? Иммобилизация – любое ограничение свободы движения объектов (ферменты, клетки) в пространстве. Объекты иммобилизации: -ферменты; -клеточные органеллы; -микроорганизмы; -растительные клетки; -животные клетки Иммобилизация ферментов целесообразна в отношении одностадийных процессов получения целевого продукта glucose glucose/fructose glucose isomerase Иммобилизацию клеток проводят в случае необходимости осуществления многостадийных процессов, требующих регенерации кофакторов glucose ethanol multi-enzymes acting sequentially Проблемы, ограничивающие широкое практическое применение ферментов: Во-первых, ферменты неустойчивы при хранении, а также при различных воздействиях (особенно тепловых) Во-вторых, многократное использование ферментов затруднено из-за сложности их отделения от реагентов и продуктов реакции В-третьих, трудоемкость выделения и очистки ферментов, получения их в достаточно активном виде и, как следствие, высокая стоимость активных ферментов. Один из путей решения указанных проблем – иммобилизация ферментов Первый промышленный процесс с использованием иммобилизованных ферментов (1969 г., компания «Танабе Сейяку», Япония) – разделение рацемических смесей аминокислот на изомеры с помощью аминоацилазы, иммобилизованной на ДЭАЭ-целлюлозе Преимущества иммобилизованных ферментов: 1. Иммобилизованные ферменты, представляя собой гетерогенные катализаторы, легко отделяются от реакционной среды. Это позволяет: а) остановить в нужный момент реакцию; б) использовать катализатор повторно; в) получать продукт незагрязненный ферментом, что особенно важно для пищевых и фармацевтических производств 2. Иммобилизация способствует целенаправленному изменению субстратной специфичности фермента, зависимости его каталитической активности от рН, ионного состава и других параметров среды Преимущества иммобилизованных ферментов: 3. Во многих случаях иммобилизованные ферменты характеризуются более высокой стабильностью по отношению к денатурирующим воздействиям Например, термоинактивация лактатдегидрогеназы, иммобилизованной в 60%-м полиакриламидном геле, происходящая при температуре 65°С, замедлена в 3600 раз по сравнению с нативным ферментом. 4. Иммобилизация обеспечивает непрерывность каталитического процесса, возможность регуляции скорости катализируемой реакции, а также выхода продукта В совокупности это обеспечивает высокую экономичность, эффективность и конкурентоспособность технологий, использующих иммобилизованные ферменты. Необходим тщательный подбор типа носителя и метода иммобилизации. В иммобилизации ферментов не должны участвовать функциональные группы, существенные для его каталитической функции. Недостатки иммобилизованных ферментов: - применимы только для одностадийных процессов (способны катализировать одну-единственную реакцию); - для практических целей могут использоваться только те ферменты, которые не требуют регенерации кофакторов и коферментов; - нестабильность фермента в процессе работы Преимущества иммобилизованных клеток: 1. Отсутствие затрат на выделение и очистку ферментов. 2. Снижение затрат на выделение и очистку продуктов реакции 3. Возможность получения полиферментных систем, осуществляющих многостадийные непрерывно действующие процессы без экзогенных кофакторов. 4. Более высокая активность и стабильность 5. Возможность поддержания автоматизированных процессов Иммобилизованные клетки Одностадийные ферментативные процессы Живые Поврежденные Мультиферментные системы Живые Растущие Покоящиеся 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. Крупномасштабные процессы с использованием иммобилизованных ферментов и клеток
