Получение вторичных метаболитов
Получение антибиотиков.
В мире ежегодно производится антибиотиков на 20 млрд.$. Это противомикробные и противовоспалительные препараты. Кроме медицины они применяются в растениеводстве, животноводстве, ветеринарии, пищевой промышленности.
(вызывают гибель организма) (нарушают способность
организмов к делению)
тетрациклин, левомицицин
Получение химических антибиотиков не может конкурировать с их биосинтезом методами биотехнологии. Антибиотики продуцируются плесневыми грибами, актиномицетами, бактериями. Образование антибиотиков регулируется условиями культивирования микроорганизмов (см. далее «Культивирование микроорганизмов»). Их выход составляет: 1литр культуры – несколько десятков грамм антибиотиков.
Синтез стероидов.
Получают путем биотрансформации стероидного скелета. Например, важный противоспалительный препарат – преднизолон – получают путем микробного гидроксилирования кортикостерона. Разработка крупномасштабного производства преднизолона путем трансформации стероидов позволила снизить стоимость этого продукта в 200 раз. Единственная трудность – это сложный состав среды для культивирования и строгое соблюдение других условий.
Важнейшим источником стероидных гормонов является культура клеток растений. Синтез происходит в суспензионной культуре и не зависит от внешних условий. Культуры клеток синтезируют вещества в количествах, в несколько раз превышающих их синтез в растениях. Вещества накапливаются в пластидах, ЭПС, вакуолях. Использование суспензионных культур для синтеза вторичных метаболитов имеет большие перспективы: получение дешевой продукции и сохранение дикорастущих ценных растений.
3 Технология получения и использования ферментов. Иммобилизованные ферменты.
Ферменты – биологические катализаторы белковой природы. Их применение в промышленности экономически и экологически выгодно: они не токсичны, для их производства используют доступное сырье.
По объему производства ферменты занимают третье место после аминокислот и антибиотиков. Они находят применение в текстильной, кожевенной, целлюлозно-бумажной, медицинской и химической промышленности, но основным потребителем остается пищевая промышленность.
Применение ферментов:
а) Пищевая промышленность – фруктозно-глюкозные сиропы, виноделие, пивоварение, хлебопечение, кондитерское производство;
б) Парфюмерия – синтез эфиров и феромонов;
в) Медицина – растворение тромбов, рассасывание рубцов, лечение конъюнктивита и др. Важнейшую область в медицине составляет энзимодиагностика – тестирование патологии того или иного органа человека по уровню активности фермента.
Сфера применения ферментных препаратов неуклонно расширяется, а объем производства возрастает.
Источниками ферментов являются все живые организмы. Для крупномасштабного производства ферментов пригодны только некоторые растительные культуры на определенной фазе их развития, а также отдельные ткани и органы животных (поджелудочная железа, сычуг желудка, семенники). Практически неограниченный источник ферментов – микроорганизмы.
Важным этапом в развитии инженерной энзимологии стала разработка способов получения и использования иммобилизованных ферментов.
Иммобилизованные ферменты – это ферменты, искусственно связанные с носителем и сохраняющие свои каталитические свойства. Такие ферменты имеют ряд преимуществ по сравнению со свободными молекулами:
Могут использоваться многократно, обеспечивая непрерывность каталитического процесса.
Они стабильны и долговечны.
Обеспечивают высокую экономичность процесса.
Носителями для иммобилизованных ферментов могут быть материалы, обладающие следующими свойствами: нерастворимостью, гидрофильностью, высокой биологической и химической стойкостью, проницаемостью для ферментов и веществ. Носители делятся на органические и неорганические материалы.
Органическими носителями могут быть: белки, липиды, полисахариды, полиамиды (хитин, целлюлоза, желатин и др.). Их преимущества: доступность, многофункциональность и растворимость, а недостаток – высокая стоимость.
В качестве носителей неорганической природы применяют керамику, глину, сажу, оксиды металлов. Основное преимущество таких носителей – легкость регенерации, им можно придать любую форму и получать с любой степенью пористости.
Методы иммобилизации.
Существует два принципиально различных метода иммобилизации ферментов: без возникновения ковалентных связей между ферментом и носителем (физические методы) и с использованием ковалентной связи между ними (химические методы)
1. Физические методы иммобилизации ферментов – реализуются посредством адсорбции фермента на нерастворимом носителе, путем включения в гель или капсулы.
А) Адсорбция.
Фермент держится на носителе за счет гидрофобных, электростатических и водородных связей. Способ простой, заключается в том, что водный раствор фермента смешивают с носителем. Активность фермента при этом 100%, но прочность связывания не высока.
Б) Включение в гель.
Способ очень простой и уникальный. Обеспечивает равномерное распределение фермента в объеме носителя. Гелевые матрицы обеспечивают многократное использование фермента.
В) Инкапсулирование.
Суть в том, что водный раствор фермента, отделяется от водного субстрата с помощью полупроницаемой мембраны. Размер получаемых капсул 10-100мкм.
Г) Включение в липосомы.
Этот способ сходен с предыдущим. Капсула представляет собой слой билипидов. Способ применяют в медицинских и научных целях (рис. 1).
Рис. 1. Методы иммобилизации ферментов
2. Химические методы иммобилизации ферментов.
При этом между ферментом и носителем образуются химические связи (рис. 1).
Этот способ обеспечивает прочную и необратимую связь фермента с носителем, что существенно снижает активность фермента.
Рис. 2. Иммобилизация фермента химическим методом
Из рисунка 2 видно, что фермент отделяют от носителя с помощью вставки.
Однако химические методы все еще малодоступны для промышленного использования из-за своей дороговизны и в основном используются в лабораторных исследованиях.