Ферментные технологии в биотехнологии.

 Плесневелые грибы Ферментные технологии в биотехнологии.

Производимые и используемые импортные ферментные препараты для спиртовой промышленности стоят ~ 20 Евро за 1 килограм. Значит, собственное производство ферментов значительно снизит затраты на производство спирта.

Из производственного расчета продуктов для выработке спирта из крахмалистого сырья с заменой солода для осахаривания ферментами глубинных культур известно

Ферментные технологии в биотехнологии.

Например, расход импортных ферментов для осахаривания составляет 2 литра на 100 дал спирта

Цена 1 литра импортных ферментных препаратов для спиртоаой промышленности — 20 Евро

Расход импортных ферментов для спиртового завода мощностью 3000 дал спирта в сутки составит 60 литров/сут. или 60 л х 330 суток = 19 800 литров/год. Издержки на приобретение импортных ферментов для спиртзавода мощностью 3000 дал/ сут составят 19 800 литров/ год х 20 Евро = 396 000 Евро/ год

Расход импортных ферментов для спиртового завода мощностью 15 000 дал спирта / сутки составит 300 литров в день или 300 л х 330 дн = 99 000 литров / год. Издержки на приобретение импортных ферментов для спиртзавода мощностью 15 000 дал/ сут составят 99 000 литров в год х 20 Евро = 1 980 000 Евро в год

Производство и получение микробных ферментных препаратов для спиртовой промышленности возможно благодаря разнообразным микроорганизмам.

В зависимости от состава питательной среды и условий производствп и культивирования микроорганизмы продуцентов ферментов легко переключаются с синтеза одного фермента на другой.

У микроорганизмов сравнительно короткий цикл разви­тия (10—100 часов), что позволяет получать сотни урожаев в год.

Продуцентами ферментов могут быть:

  • бактерии,
  • грибы,
  • дрожжи и
  • актиномицеты.
  • Для промышленного производства и получения ферментных препаратов используются как природные штаммы микроорганизмов, выделенные из естественных сред, так и мутантные, селекционированные воздействием на природные физических и химических мутагенов.

    Микроорганизмы синтезируют одновременно комплекс ферментов, но некоторые из них, особенно мутантные штаммы, продуциру­ют в значительных количествах лишь один фермент.

    Для лучшего использования крахмалсодержащего сырья в спиртовом производ­стве осахаривающие материалы должны содержать не только амилолитические ферменты, но и ферменты, гидролизующие другие углеводы сырья — целлюлозу и гемицеллюлозы.

    Для обеспечения дрожжей азотистым питанием имеют значение и протеолитические ферментные препараты.

    Несмотря на то, что для успешного осахаривания нужен комплекс ферментов, отбор микроорганизмов-продуцентов до сих пор проводился главным образом по высокой активности амилолитических ферментов — a-амилазы, глюкоамилазы и в более ранних работах — олиго-1,6-глюкозидазы (декстриназы).

    Микроорганизмы — продуценты ферментов

    Наиболее часто в
    качестве продуцентов амилолитических ферментов в спиртовом производстве используются
    плесневые грибы, реже — дрожжеподобные организмы и споровые бактерии.

    Плесневые грибы

    Для получения амилаз широко применяют
    плесневые грибы рода Aspergillius, видов niger, orizae, usamii awamori, batatae; рода Rhizopus, видов delemar, tonkinensis, niveus, japonicum и др., а также отдельные представители Neurospora crassa и Mucor.

    Плесневые грибы очень
    широко распространены в природе; основное место их обитания — почва. Несмотря
    на наличие многих ро­дов и видов плесневых грибов все они характеризуются
    нитевидным строением тела и специфическим строением плодоносящих органов.

    Тело гриба состоит
    из длинных переплетенных нитей сероватого или белого цвета, называемых гифами. Гифы
    распространяются по поверхности питательного субстрата, образуя мицелий и
    частично врастают в него.

    Некоторые гифы, поднимающиеся над поверхностью в виде легкого пушка, имеют
    более сложное строение и представляют собой органы плодоношения, называемые
    конидие или спорангиеносцами. У мукоровых грибов на конце спорангиеносца находится
    шаровидное вздутие, окруженное оболочкой, внутри которого образуются споры.

    У
    аспергиллов конец конидиеносца име­ет булавовидное утолщение, от которого
    отходят удлиненные клетки, называемые стеригмами; от стеригм отшнуровываются
    более мелкие круглые клетки — конидии.

    Отделившиеся конидии
    или споры, попадая в благоприятные условия, начинают прорастать, затем гифы
    ветвятся, образуя мицелий; при истощении питательных веществ в среде гриб
    переходит — в стадию споро- или конидиебразования. Споры и конидии плесневых грибов
    содержат пигменты, что и придает зрелым культурам характерную окраску.

    На рис. 1 показана морфология
    плесневых грибов. Для осахаривания на спиртовых заводах чаще используются
    аспергиллы: при поверхностном культивировании — Asp. oryzae и Asp. awamori, а в последнее время высокоактивный по
    глюкоамилазе штамм Rhizopus delemar В; при глубинном
    культивировании — Asp. niger, Asp. usamii, Asp. awamori и Asp. Batatae.

    Ферментные технологии в биотехнологии.

    Рисунок 1. Плесневелые грибы:

             
    1 – Asp. Oryzae; 2 —
    Asp. Niger, 3 – Penicillium, 4 – Mucor, a – мицелий; б – конидиеносцы в — конидии и споры

    На спиртовых заводах США используется высокоактивный штамм Asp. awamori МКК-3112.

    Аспергиллы являются
    типичными аэрофилами, поэтому они мо­гут развиваться только на поверхности твердой
    или жидкой среды или в жидкой, достаточно аэрируемой среде.

    Оптимальная темпера­тура для, большинства
    аспергиллов 25—30°С, для некоторых — до 35°С.

    Большинство грибов при поверхностном
    культивировании мо­гут переносить кратковременное повышение температуры до 40 и даже 45°С
    без заметной потери активности ферментов. Оптималь­ная влажность среды
    для них около 65%.

    Для питания
    аспергиллов необходимы азотистые и минеральные вещества.

    В качестве источника углевода кроме
    моносахаридов, многих олиго- и полисахаридов могут служить спирты и органические кислоты, однако для
    накопления амилазы в среде обязательно должны присутствовать крахмал, декстрины или маль­тоза.

    На средах,
    содержащих другие сахара, в том числе глюкозу грибы амилазы не образуют.
    Источником азота могут быть белки и их гидролизаты, аммонийные соли и нитраты.

    Среда должна содержать соединения, в
    состав которых входят сера, фосфор, калий, магний и микроэлементы. Большинство
    плес­невых грибов усваивают серу из сульфатов, а фосфор — из солей фосфорной
    кислоты.

    Аспергиллы не нуждаются в готовых витами­нах и факторах роста, так как
    способны сами синтезировать их из более простых химических соединений, содержащихся в среде.

    Пре­параты ферментов из плесневых грибов содержат,
    как правило, ши­рокий набор ферментов, поэтому во многих случаях могут
    пол­ностью заменять зерновой солод.

    В последнее время на спиртовых заводах стал
    широко применяться высокоактивный по глюкоамилазе штамм Asp.awamori-466, выращиваемый на концентрированном кукурузном сусле 18% сухих веществ). Готовая культура имеет активность до 250 ед.

    ГлА на 1 мл, но других амилолитических ферментов, а также протеазы практически не образует. В связи с этим эту культуру целе­сообразно применять в смеси с другими культурами, продуцирую­щими a-амилазу и протеолитические ферменты.

    Дрожжеподобные организмы

    Амилолитические ферменты синтезируют также некоторые дрож­жи и дрожжеподобные грибы родов Saccharomyces, Candida, Endomycopsis и Endomyces.

    В спиртовом производстве нашли применение End. bispora и End. species 20-9, выращиваемые глубинным способом и продуцирующие главным образом активную глюкоамилазу; а-амилазная активность проявляется слабо. Высокоактивный штамм End.

    bispora имеет раз­ветвленный мицелий, образует бластоспоры; гифы — септированные, зернистые.

    На твердых агаризованных средах образует коло­нии с воздушным серовато-белым мицелием, на жидких питатель­ных средах — гифы и некоторое количество бластоспор.

    Дрожжеподобные грибы
    в спиртовом производстве самостоя­тельно не применяются, так как не содержат других
    ферментов, не­обходимых для нормального осахаривания сусла из крахмалсодержащего сырья. Обычно
    они используются в смеси с ферментными препаратами из плесневых грибов или
    бактерий.

    Бактерии

    Многие бактерии,
    способны синтезировать активные амилазы: Bac. subtilis, Bac. diastaticus, Bac. mesentericus, Bac. mecerans, Вас. polymyxa и некоторые другие.

    Бактерии — продуценты амилолитических ферментов представляют собой палочки длиной 1,2—1,3 мкм и диаметром 0,6—0,8 мкм. Палочки соединяются по две, три, иногда образуют цепочки. Цикл развития у бактерий короче, чем у плесневых и дрожжеподобных грибов.

    Например, культура Вас. diastaticus  выращивается в глу­бинных условиях при температуре 60°С в течение 10—12 ч.

    Бактерия Вас. mesentericus ПБ-ВНИИПрБ, применяемая в на­ стоящее время на спиртовых
    заводах как продуцент а-амилазы в смеси с препаратами глюкоамилазы, выращивается в течение 24—36 ч при температуре 40°С.

    Особенность бактерий
    — их способность образовывать высокоак­тивную термостойкую а-амилазу, необходимую
    на стадии подваривания замесов и осахаривания сусла для разжижения и декстринизации крахмального клейстера.

    Номенклатура ферментных препаратов

    Ферменты микробного происхождения применяются в спиртовом производстве в виде естественной культуры — сухой поверхностной или жидкой глубинной, а также в виде концентрированных препаратов.

    При определении названия ферментного препарата учитыва­ют только основной фермент, активность которого в препарате пре­валирует. Название каждого препарата образуется из сокращенно­го названия этого фермента, вида микроорганизма-продуцента и оканчивается во всех случаях на «ин».

    Читайте также:  Косоглазие. Диплопия. Причины косоглазия.

    Например, если продуцентом глюкоамилазы является Asp. batatae или Asp. awamori, то препа­рат называется соответственно глюкобататин или глюкаваморин; если продуцент а-амилазы — Asp. orizae или Вас. diastaticus, то препарат называется, амилоризин или амилодиастатин.

    Для пре­парата, полученного глубинным культивированием, после названия ставится буква «Г», при поверхностном — «П».

    Условно количество фермента в стандартной глубинной или поверхностной культурах обозначается буквой «х». При этом под «стандартной культурой» понимается готовая культура продуцен­та, обладающая
    строго определенной активностью на единицу мас­сы. Так, глубинную культуру End. biospora называют глюкоэндомикопсин Гх, а поверхностную культуру Asp. oryzae — амилоризин Пх.

    Цифры перед буквой «х» в наименовании препарата показывают степень очистки фермента: Пх и Гх — это стандартная исходная культура продуцента без какой-либо очистки; П2х и Г2х — жидкий концентрат растворимых веществ исходной культуры,_освобожденный от нерастворимой фазы, с содержанием сухих веществ 40 — 50%; ПЗх и ГЗх — сухие ферментные препараты, полученные высу­шиванием экстракта из поверхностной культуры или фильтрата культуральной жидкости при глубинном культивировании; П10х и Г10х — сухие препараты, полученные осаждением ферментов из водных растворов органическими растворителями или высаливанием; П15х л Г15х — препараты ферментов, очищенных различными методами; П25х и Г25х — высокоочищенные, но не кристаллические ферментные препараты, содержащие до 20-25% балластных веществ.

    Применение высокоочищенных препаратов от 10х до 25х в спиртовой промышленности нецелесообразно, так как они слишком дороги. Для осахаривания разваренной массы пользуются естественной культурой Гх или Пх или практически неочищенными концентрированными жидкими или сухими препаратами П2х, Г2х, ПЗх и ГЗх

    Особенности белков и ферментов в биотехнологии

    ⇐ ПредыдущаяСтр 12 из 13Следующая ⇒

    Фементы (энзимы) (от лат. fermentum — закваска) — это белки, выполняющие роль катализаторов в живых организмах.

    Основные функции ферментов — ускорять превращение веществ, поступающих в организм и образующихся при метаболизме (для обновления клеточных структур, для обеспечения его энергией и др.), а также регулировать биохимические процессы (напр.

    , реализацию генетической информации), в т.ч. в ответ на изменяющиеся условия.

    • Выделяют 6 основных классов ферментов:
    • I класс – Оксидоредуктазы
    • II класс – Трансферазы
    • III класс – Гидролазы
    • IV класс – Лиазы
    • V класс – Изомеразы
    • VI класс – Лигазы
    • Достоинства ферментов по сравнению с неорганическими катализаторами:
    • — нетоксичность,
    • — работают в мягких условиях, не требующих высоких температур и, следовательно, затрат топлива,
    • — используют доступное сырье (часто отходы), что выгодно с экономической и экологической точек зрения.

    Ферменты по объёму производства занимают 3 место после аминокислот и антибиотиков.Известно и охарактеризовано примерно 2000 ферментов по данным энзимологии. В промышленности используется всего около 30 ферментов. Из производимых ферментов чаще всего используются (и продаются) гидролазы – щелочные и нейтральные протеазы (60%).

    Они в основном используюся в качестве детергентовпри производстве синтетических моющих средств. На втором месте — гликозидазы (30%). Они используются в производстве кондитерских изделий, фруктовых и овощных соков.

    Основное место среди них занимают глюкоизомераза и глюкозамилаза, применяющиеся при обогащении фруктозой кукурузных сиропов и составляющие около 50% рынка пищевых ферментных препаратов.

    1. Ферменты применяются также в текстильной, кожевенной, целлюлозно-бумажной, медицинской, химической промышленности.
    2. Применение ферментов в технологических процессах:
    3. — амилаза – гидролиз крахмала до декстринов, мальтозы и глюкозы в спиртовой и пивоваренной промышленности, хлебопечении, получении патоки, глюкозы,
    4. — липазы – гидролиз жиров и масел в пищевой, медицинской промышленности, сельском, жилищно-коммунальном хозяйстве, бытовой химии,
    5. — пектиназа – гидролиз галактуронана, осветление вина и фруктовых соков,

    — глюкоизомераза – изомеризация глюкозы во фруктозу в кондитерской, ликероводочной, безалкогольной промышленности, хлебопечении. Фруктоза является более сладким моносахаридом, чем глюкоза.

    — пептидогидролаза – лизиса (гидролиза) белков в получении аминокислот, производство и получение сыра, мягчение мясных и рыбных изделий, выделка кож, активизация пищеварения. В пивоваренной, винодельческой, пищевой промышленности, в сельском хозяйстве, медицине.

    — целлюлазы – гидролиз целлюлозы до глюкозы. Производство пищевых и кормовых препаратов, этанола, глюкозо-фруктозных сиропов. Спиртовая, пивоваренная, пищеконцентратнная промышленность. Хлебопечение, коромопроизводство.

    — фруктофуранозилаза – инверсия сахарозы. Кондитерская, ликероводочная, безалкогольная промышленность, производство сиропов.

    Производство микробной биомассы — самое крупное микробиологическое производство. Микробная биомасса может быть хорошей белковой добавкой для домашних животных, птиц и рыб. В современных биотехнологических процессах, основанных на использовании микроорганизмов, продуцентами белка служат дрожжи, другие грибы, бактерии и микроскопические водоросли.

    С технологической точки зрения наилучшими из них являются дрожжи. Их преимущество заключается прежде всего в «технологичности»: дрожжи легко выращивать в условиях производства.

    Они характеризуются высокой скоростью роста, устойчивостью к посторонней микрофлоре, способны усваивать любые источники питания, легко отделяются, не загрязняют воздух спорами. Клетки дрожжей содержат до 25% сухих веществ.

    Наиболее ценный компонент дрожжевой биомассы — белок, который по составу аминокислот превосходит белок зерна злаковых культур и лишь немного уступает белкам молока и рыбной муки. Биологическая ценность дрожжевого белка определяется наличием значительного количества незаменимых аминокислот.

    В последнее время в качестве продуцентов белка стали использовать бактерии, которые отличаются высокой скоростью роста и содержат в биомассе до 80% белка.

    Бактерии хорошо поддаются селекции, что позволяет получать высокопродуктивные штаммы.

    Их недостатками являются трудная осаждаемость, обусловленная малыми размерами клеток, значительная чувствительность к фаговым инфекциям и высокое содержание в биомассе нуклеиновых кислот.

    Следующую группу продуцентов белка составляют грибы. Они привлекают внимание исследователей благодаря способности утилизировать самое разнообразное по составу органическое сырье: мелассу, молочную сыворотку, сок растений и корнеплодов, лигнин- и целлюлозосодержащие твердые отходы пищевой, деревообрабатывающей, гидролизной промышленности.

    Грибной мицелий богат белковыми веществами, которые по содержанию незаменимых аминокислот ближе всего к белкам сои. Вместе с тем белок грибов богат лизином, основной аминокислотой, недостающей в белке зерновых культур. Это позволяет на основе зерна и грибной биомассы составлять сбалансированные пищевые и кормовые смеси.

    Грибные белки имеют достаточно высокую биологическую ценность и хорошо усваиваются организмом.

    Ферментные технологии в биотехнологии.

    Источниками белковых веществ могут служить и водоросли. При фототрофном способе питания и образования биомассы они используют углекислый газ атмосферы. Выращивают водоросли, как правило, в поверхностном слое прудов, где с площади 0,1 га можно получить столько же белка, сколько с 14 га посевов фасоли. Белок водорослей пригоден не только для кормовых, но и пищевых целей.

    Наконец, хорошими продуцентами белка являются рясковые, которые накапливают протеина до 45% от сухой массы, а также до 45% углеводов. Однако, несмотря на свои малые размеры, они не принадлежат к вышеперечисленным производителям белка (микроорганизмам), так как не только являются многоклеточными организмами, но и относятся к высшим растениям.

    ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 26

    1. Требования предъявляемые к биообъектам?
    • Биообъект-это продуцент, биосинтезирующий нужный продукт, либо катализатор, фермент, который катализирует присущую ему реакцию.
    • Требования, предъявляемые к биологическим объектам
    • Для реализации биотехнологических процессов важными параметрами биообъектов являются:чистота, скорость размножения клеток и репродукции вирусных частиц, активность и стабильность биомолекул или биосистем.

    Следует иметь в виду, что при создании благоприятных условий для избранного биообъекта биотехнологии эти же условия могут оказаться благоприятными, например, и для микробов – контаминантов, или загрязнителей. Представителями контаминирующей микрофлоры являются вирусы, бактерии и грибы, находящиеся в культурах растительных или животных клеток.

    В этих случаях микробы-контаминанты выступают вредителями производств в биотехнологии.

    При использовании ферментов в качестве биокатализаторов возникает необходимость предохранения их в изолированном или иммобилизованном состоянии от деструкции банальной сапрофитной (не болезнетворной) микрофлорой, которая может проникнуть в сферу биотехнологического процесса извне вследствие нестерильности системы.

    Активность и стабильность в активном состоянии биообъектов – одни из важнейших показателей их пригодности для длительного использования в биотехнологии.

    Таким образом, независимо от систематического положения биообъекта, на практике используют либо природные организованные частицы (фаги, вирусы) и клетки с естественной генетической информацией, либо клетки с искусственно заданной генетической информацией, то есть в любом случае используют клетки, будь то микроорганизм, растение, животное или человек. Для примера можно назвать процесс получения вируса полиомиелита на культуре клеток почек обезьян в целях создания вакцины против этого опасного заболевания. Хотя мы заинтересованы здесь в накоплении вируса, репродукция его протекает в клетках животного организма. Другой пример с ферментами, которые будут использованы в иммобилизованном состоянии. Источником ферментов также являются изолированные клетки или специализированные ассоциации их в виде тканей, из которых изолируют нужные биокатализаторы.

    Читайте также:  Ксидифон - инструкция по применению, аналоги, отзывы и формы выпуска (раствор 20% - 2%) лекарственного препарата для лечения и регуляции обмена кальция, при мочекаменной болезни у взрослых, детей и при беременности

    2. Как называют полезные бактерии? Приведите примеры таких бактерии?

    Бактерии живут на планете Земля более 3,5 млрд. лет. За это время они многому научились и ко многому приспособились. Теперь они помогают человеку. Бактерии и человек стали неразлучны. Суммарная масса бактерий огромна. Она составляет около 500 миллиардов тонн.

    Полезные бактерии выполняют две самые важные экологические функции — они фиксируют азот и участвуют в минерализации органических остатков. Роль бактерий в природе носит глобальный характер. Они участвуют в перемещении, концентрации и рассеивании химических элементов в биосфере земли.

    Велико значение бактерий, полезных для человека. Они составляют 99% всей популяции, которые заселяют его организм. Благодаря им человек живет, дышит и питается.

    Важна роль бактерий в жизни человека. Они полностью обеспечивают его жизнедеятельность.

    Бактерии довольно просто устроены. Ученые предполагают, что они первыми появились на планете Земля.

    Итак, тело заселяют многочисленные колонии микробов. Из них абсолютное большинство (99%) полезные, добровольные помощники человека. Эти полезные микробы населяют кишечник постоянно, поэтому называются постоянной микрофлорой. Среди них нужно выделить бифидобактерии и бактероиды. Это самые главные полезные микробы.

    У здорового человека их содержание должно составлять не менее 90-98%. Однако, там же, в кишечнике находятся другие бактерии, не относящиеся к постоянной микрофлоре и находятся в организме временно. Поэтому их называют сопутствующими. К ним относят кишечную палочку, лактобактерии, а также энтерококки.

    Таких сопутствующих бактерий от 1 до 9%.

    1. При наступлении определенных условий, эти микробы, за исключением бифидобактерий, могут вызывать заболевания.
    2. Бифидобактерии
    3. Значение бактерий этого вида огромно.
    • Благодаря им вырабатываются ацетат и молочная кислота. Закисляя среду обитания, они подавляют рост патогенных бактерий, вызывающих гниение и брожение.
    • Благодаря бифидобактериям снижается риск развития аллергии к пищевым продуктам у малышей.
    • Они обеспечивают антиоксидантный и противоопухолевый эффект.
    • Бифидобактерии принимают участие в синтезе витамина С.
    • Бифидо- и лактобактерии принимают участие в процессах по усвоению витамина Д, кальция и железа.

    ⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

    Иммобилизованные ферменты

    Основные тенденции ферментативных процессов в биотехнологии

    Введение

    Истоки современной биотехнологии уходят глубоко в прошлое. С незапамятных времен получали пищевые продукты и улучшали их качество с использованием биологических процессов и агентов.

    В качестве биологических агентов применялись различные организмы (от животных до микроорганизмов).

    На этом принципе основаны общеизвестные древнейшие способы получения молока, изготовления вин, уксуса, пивоварения, сыроделия, хлебопечения и т. д.

    Хотя история пищевых технологий насчитывает тысячелетия, тем не менее совершенствование их постоянно продолжается. В последнее время наметились перспективы принципиального сдвига в технологии получения и улучшения качества пищевых продуктов.

    Это связано с переходом от использования целых биологических организмов на клеточный и молекулярный уровни.

    Появилась возможность конструировать биологические агенты, изменять структуру молекул, «резать» их на части и соединять по усмотрению исследователя-биотехнолога, извлекать биокатализаторы из естественного клеточного окружения и присоединять с помощью ковалентных или других связей к специальным носителям (тем самым опять-таки изменять структуру молекул) и т.д. В этом и заключается главное и принципиальное отличие традиционных пищевых технологий и их традиционного научного фундамента от современной биотехнологии. Следует, впрочем, иметь в виду, что четкую грань между технической биохимией и биотехнологией провести достаточно трудно.

    Может возникнуть вопрос, почему в разделе, посвященном промышленным процессам инженерной энзимологии, речь идет в основном о получении пищевых продуктов. Дело в том, что иммобилизованные ферменты и клетки в основном используют в получении пищевых продуктов и в меньшей степени фармацевтических препаратов.

    Такое ограничение вызвано весьма малой доступностью (в широких масштабах) ферментов, способных катализировать реакции технологической значимости, на­пример, в органической или неорганической химии, нефтехимии, полимерной химии, фармацевтической промышленности и т. д.

    Напротив, традиционное использование растворимых ферментов в пищевой промышленности создало определенный фундамент для дальнейшего совершенствования методов в этой области.

    Биотехнология ферментов

    Ферменты (энзимы) (от лат. fermentum — закваска) — это белки, выполняющие роль катализаторов в живых организмах.

    Основные функции ферментов — ускорять превращение веществ, поступающих в организм и образующихся при метаболизме (для обновления клеточных структур, для обеспечения его энергией и др.

    ), а также регулировать биохимические процессы (напр., реализацию генетической информации), в т.ч. в ответ на изменяющиеся условия.

    • Выделяют 6 основных классов ферментов:
    • I класс – Оксидоредуктазы
    • II класс – Трансферазы
    • III класс – Гидролазы
    • IV класс – Лиазы
    • V класс – Изомеразы
    • VI класс – Лигазы
    • Достоинства ферментов по сравнению с неорганическими катализаторами:
    • · нетоксичность,
    • · работают в мягких условиях, не требующих высоких температур и, следовательно, затрат топлива,
    • · используют доступное сырье (часто отходы), что выгодно с экономической и экологической точек зрения.
    • Ферменты по объёму производства занимают 3 место после аминокислот и антибиотиков.

    Известно и охарактеризовано примерно 2000 ферментов по данным энзимологии. В промышленности используется всего около 30 ферментов. Из производимых ферментов чаще всего используются (и продаются) гидролазы – щелочные и нейтральные протеазы (60%).

    Они в основном используюся в качестве детергентов при производстве синтетических моющих средств. На втором месте — гликозидазы (30%). Они используются в производстве кондитерских изделий, фруктовых и овощных соков.

    Основное место среди них занимают глюкоизомераза и глюкозамилаза, применяющиеся при обогащении фруктозой кукурузных сиропов и составляющие около 50% рынка пищевых ферментных препаратов.

    1. Ферменты применяются также в текстильной, кожевенной, целлюлозно-бумажной, медицинской, химической промышленности.
    2. Применение ферментов в технологических процессах:
    3. амилаза – гидролиз крахмала до декстринов, мальтозы и глюкозы в спиртовой и пивоваренной промышленности, хлебопечении, получении патоки, глюкозы,
    4. липазы – гидролиз жиров и масел в пищевой, медицинской промышленности, сельском, жилищно-коммунальном хозяйстве, бытовой химии,
    5. пектиназа – гидролиз галактуронана, осветление вина и фруктовых соков,

    глюкоизомераза – изомеризация глюкозы во фруктозу в кондитерской, ликероводочной, безалкогольной промышленности, хлебопечении. Фруктоза является более сладким моносахаридом, чем глюкоза.

    пептидогидролаза – лизиса (гидролиза) белков в получении аминокислот, производство и получение сыра, мягчение мясных и рыбных изделий, выделка кож, активизация пищеварения. В пивоваренной, винодельческой, пищевой промышленности, в сельском хозяйстве, медицине.

    целлюлазы – гидролиз целлюлозы до глюкозы. Производство пищевых и кормовых препаратов, этанола, глюкозо-фруктозных сиропов. Спиртовая, пивоваренная, пищеконцентратнная промышленность. Хлебопечение, коромопроизводство.

    фруктофуранозилаза – инверсия сахарозы. Кондитерская, ликероводочная, безалкогольная промышленность, производство сиропов.

    • Получение ферментов
    • Традиционные источники ферментов – это природные объекты, в которых содержание фермента составляет не менее 1%.
    • Без применения биотехнологии для получения ферментов в больших количествах пригодны только некоторые растительные организмы на определенной фазе их развития: например, проросшее зерно различных злаков и бобовых, латекс и сок зеленой массы некоторых растений, а также ткани и органы животных: сычуг крупного рогатого скота, семенники половозрелых животных.

    Зато практически неограниченный источник ферментов – это микроорганизмы и грибки. За счёт размножения они самостоятельно наращивают объёмы производства ферментов.

    В настоящее время наиболее прогрессивным является метод культивирования микроорганизмов при непрерывной подаче в ферментер как питательной среды, так и посевного (микробного) материала.

    Иммобилизованные ферменты

    Иммобилизированные ферменты (от лат.

    immobiiis — неподвижный) — это препараты ферментов, молекулы которых связаны с матрицей, или носителем (как правило, полимером), и сохраняют при этом полностью или частично свои каталитические свойства.

    Иммобилизованные ферменты обычно не растворимы в воде; между двумя фазами возможен обмен молекулами субстрата, продуктов каталитической реакции, ингибиторов и активаторов.

    1. Существует несколько основных способов иммобилизации ферментов.
    2. Способы иммобилизации ферментов:
    3. 1) путем образования ковалентных связей между ферментом и матрицей;
    4. 2) полимеризацией мономера, образующего матрицу, в присутствии фермента, который при этом оказывается включенным в сетку полимера — обычно геля;
    5. 3) благодаря электростатическому взаимодействию противоположно заряженных групп фермента и матрицы;
    6. 4) сополимеризацией фермента и мономера, образующего матрицу;
    7. 5) связыванием фермента и матрицы в результате невалентных взаимодействий — гидрофобных, с образованием водородных связей и др.;
    8. 6) инкапсулированием — созданием около молекул фермента полупроницаемой капсулы, например, включением фермента в липосомы;
    9. 7) сшиванием молекул фермента между собой, например, глутаровым альдегидом, диметиловым эфиром диимида адипиновой кислоты.
    10. Особый случай иммобилизации — проведение ферментативных реакций в двухфазной системе, когда фермент находится в водной фазе, а субстраты и продукты реакции распределяются между органической и водной фазами, что позволяет в зависимости от коэффициента распределения веществ между фазами сдвигать равновесие реакции в нужную сторону; диспергирование фаз увеличивает поверхность их раздела и тем самым улучшает доступ субстрата к ферменту.
    Читайте также:  Кататоническое возбуждение. Гебефреническое возбуждение. Клиника ( признаки ) кататонического возбуждения. Клиника ( признаки ) гебефренического возбуждения.

    Среди способов иммобилизации наибольшее распространение получили ковалентное связывание фермента с матрицей и включение фермента в гель. В первом случае в качестве матрицы обычно используют целлюлозу, декстрановые гели (сефароэу, агарозу), микропористые стекла или кремнеземы, а также синтетические полимеры.

    Матрицу при ковалентной иммобилизации ферментов обычно предварительно активируют, обрабатывая, например, бромцианом, азотистой кислотой или цианурхлоридом. Благодаря этому она становится носителем активных группировок, которые способны вступать в реакцию сочетания, взаимодействуя с группами NH2, ОН, СООН. Во втором случае в качестве гелеобразующего полимера используют полиакриламид.

    На практике иммобилизация часто осуществляется одновременно несколькими способами.

    Конкретные примеры использования иммобилизированных ферментов: производство фруктозы из глюкозных сиропов.

    Ферменты на службе у медицины: применение для молекулярной диагностики и генной инженерии

    Ферменты — белковые молекулы, которые обеспечивают ускорение каталитических (химических) процессов в живых системах, — играют значимую роль в развитии биотехнологий. Они могут быть получены как из источников растительного и животного происхождения, так и с помощью микроорганизмов.

    Ферменты активно применяют в фундаментальных и прикладных медицинских исследованиях: от секвенирования (полной расшифровки) ДНК до обнаружения жизненно важных белков в организме человека.

    С ферментами связан целый ряд перспективных исследований и разработок в сфере медицины, которые помогут удешевить производство антибиотиков и сделать их более эффективными, повысить качество и доступность средств диагностики многих серьезных недугов, в частности, сердечно-сосудистых заболеваний.

    Описанные в настоящем выпуске информационного бюллетеня разработки новых методов получения и использования ферментов позволят интенсифицировать развитие молекулярной диагностики и генной инженерии, приведут к созданию новых генетических конструкций и в целом усилят позиции России в области биотехнологий.

    Первенство среди самых распространенных и опасных недугов XXI века прочно удерживают сердечно-сосудистые заболевания, вызванные тромбоэмболическими осложнениями (их причина — закупорка кровеносных сосудов тромбом вследствие нарушения свертываемости крови).

    Для своевременного предотвращения этой проблемы сейчас применяют диагностикумы на основе змеиного яда, определяющие с высокой точностью содержание в крови основных белков системы гемостаза (отвечает за вязкость крови).

    Перспективным и недорогим аналогом могут стать мицелиальные, в частности некоторые виды аспергиллов, акремониумов и артроботрисов.Функциональное состояние важных белков системы гемостаза (протромбина, плазминогена, протеина С и др.) исследуют путем активации компонентов системы свертывания крови.

    Содержащиеся в диагностических препаратах ферменты запускают фибринолиз — процесс растворения в крови тромбов и сгустков. Применение грибных ферментов позволит снизить стоимость диагностических наборов по сравнению с аналогами, разработанными на основе змеиного яда.

    • Снижение стоимости диагностики сердечно-сосудистых заболеваний и формирование культуры их раннего предупреждения.
    • Увеличение продолжительности жизни и трудоспособного возраста населения.
    $7,7 млрд может достичь к 2020 г. объем мирового рынка ферментов (в том числе для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний) при среднегодовом темпе роста в 8,3%. Рынок Азиатско-Тихоокеанского региона будет расти еще более динамично: прогнозируемый темп — 9,4% в год.Вероятный срок максимального проявления технологического тренда: 2025–2035 гг.
    1.  Рост числа сердечно-сосудистых заболеваний.
    2.  Повышение значимости превентивной медицины для поддержания здорового образа жизни.
    3.  Меньшие этические риски использования ферментов из мицелиальных грибов по сравнению с получением ферментов из змеиного яда.
    4.  Дефицит квалифицированных кадров в области микробиологии и биохимии.

     Необходимость проведения клинических испытаний, которое препятствует быстрому созданию новых диагностикумов.

    «Заделы» — наличие базовых знаний, компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития соответствующих направлений исследований.

    Термостабильные ферменты для высокоточных ДНК-тестов

    В основе ДНК-тестов, применяемых для установления родственных связей, оценки риска развития заболеваний и генетических отклонений, переносимости лекарств и других целей, заложена процедура синтеза фрагментов ДНК.

    Ее осуществляют в искусственных условиях при температуре, часто превышающей 60oС, из-за чего эффективность процесса сильно зависит от деятельности термостабильных ферментов.

    Используемые для анализов ДНК ферменты должны взаимодействовать с исходной нуклеотидной последовательностью ДНК (в том числе специфической) длительное время и без ошибок. Их источником являются, в основном, термофильные микроорганизмы, способные функционировать при высоких температурах.

    Однако эти ферменты проявляют низкую точность при секвенировании ДНК и клонировании генов, что существенно ограничивает возможности их применения и делает крайне актуальным поиск новых термостабильных ферментов.

    • Повышение точности анализов ДНК и своевременное выявление наследственных заболеваний приведет к увеличению продолжительности жизни населения.
    • Рост точности и скорости получения результатов в криминалистике обеспечит снижение уровня социальной напряженности.
    $50–70 млрд — нынешний объем мирового рынка генетических исследований. Его сегмент — рынок оборудования для проведения генетического анализа — характеризуется уверенной положительной динамикой: среднегодовой темп роста составляет 12,9% (в мире) и 7,7% (в России).Вероятный срок максимального проявления технологического тренда: 2025–2035 гг.
    1.  Рост научного интереса и доступность оборудования на базе центров коллективного пользования, а также возможность извлекать коммерческие выгоды от применения технологий молекулярной диагностики и генной инженерии.
    2.  Длительный срок окупаемости масштабных инвестиций в проведение исследовательских и опытных работ, низкий уровень мобильности квалифицированных кадров.
    «Заделы» — наличие базовых знаний, компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития соответствующих направлений исследований.

    Биоинженерия ферментов для синтеза недорогих антибиотиков

    На фоне активного производства антибиотиков во всем мире остаются актуальными две важные проблемы: болезнетворные микроорганизмы быстро адаптируются к существующим препаратам, а дорогие антибиотики последнего поколения недоступны для малообеспеченных групп населения.

    Решение обеих задач — в совершенствовании методов получения промышленных ферментов, используемых в производстве полусинтетических антибиотиков нового поколения.

    В основе борьбы с адаптацией (устойчивостью) микроорганизмов к препаратам лежит производство новых либо модификация уже существующих антибиотиков химическим способом (их «ядра» получают путем ферментного удаления боковых групп молекул антибиотиков).

    Снизить их стоимость возможно за счет применения биоинженерных подходов, направленных на синтез в большом количестве продуцентов промышленных ферментов — рекомбинантных штаммов. Антибиотики в процессе ферментативной трансформации превращаются в ценные промежуточные соединения, которые затем используются для создания новых менее дорогих антибиотиков.

    Удешевление антибиотиков и снижение устойчивости к ним болезнетворных микроорганизмов сделает их более эффективными и доступными для населения, что приведет к снижению уровня заболеваемости и повышению качества жизни и работоспособности людей. $7 млрд может достичь к 2017 г. рынок производства ферментов, в том числе применяющихся для синтеза антибиотиков. Его рост в среднем составит 6,3% в год на фоне увеличения спроса со стороны развивающихся стран, в первую очередь Индии и Китая.Вероятный срок максимального проявления технологического тренда: 2020–2025 гг.
    •  Рост спроса на антибиотики в связи с ослаблением иммунной системы людей из-за ухудшающейся экологии и растущей урбанизации.
    •  Меры государственной политики по повышению доступности антибиотиков для населения.
    •  Необходимость капитальных затрат на проектирование опытных предприятий, где будут разрабатываться технологии биоинженерии промышленных ферментов.
    «Возможность альянсов» — наличие отдельных конкурентноспособных коллективов, осуществляющих исследования на высоком уровне и способных «на равных» сотрудничать с мировыми лидерами.

    Мониторинг глобальных технологических трендов проводится Институтом статистических исследований и экономики знаний Высшей школы экономики (issek.hse.ru) в рамках Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ.

    При подготовке трендлеттера использовались следующие источники: Прогноз научно-технологического развития РФ до 2030 года (prognoz2030.hse.ru), материалы научного журнала «Форсайт» (foresight-journal.hse.ru), данные Web of Science, Orbit, medprom2020.ru, freedoniagroup.com, grandviewresearch.com, vademec.ru и др.

    Более детальную информацию о результатах исследования можно получить в Институте статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ: issek@hse.ru, +7 (495) 621-82-74.

    1. Над выпуском работали: Александр Осмоловский, Анна Соколова, Елена Гутарук, Карина Назаретян, Ким Воронин, Любовь Матич, Надежда Микова.
    2. © Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», 2015
    Ссылка на основную публикацию
    Adblock
    detector