Глава 1. Инженерная энзимология.

1.1. Задачи инженерной энзимологии.

Инженерная энзимология – это отрасль биотехнологии, которая базируется 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.

Одним из первых в мире кто почувствовал широкие возможности использования ферментов для решений задач технической химии, медицины, сельского хозяйства был Илья Васильевич Березин, профессор кафедры химической кинетики МГУ. Его можно назвать одним из основоположников современной инженерной энзимологии. В результате деятельности И.В. Березина и его учеников стало очевидным, что ферментные катализаторы могут быть использованы во всех направлениях современной химии: органической (тонкий и тяжелый органический синтез), физической (термодинамика и термохимические исследования), электрохимии (использование явления биоэлектрокатализа – ускорения ферментами электродных реакций), аналитической химии (микроанализ, иммуноферментный и биолюминесцентный анализы, в биосенсорах), фотохимии (светочувствительные реакции с участием ферментов).

Задачи инженерной энзимологии 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 ферментативная активность.

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.