БІОТЕХНОЛОГІЯ - В. Г. Герасименко - 2006

Частина ІІ. Спеціальні біотехнології

Розділ 20. БІОТЕХНОЛОГІЯ ОДЕРЖАННЯ ФЕРМЕНТІВ

20.1.ДЖЕРЕЛА ФЕРМЕНТІВ

НІа сьогодні промисловість випусків близько 20 індивідуальних ферментів і майже 40 так званих ферментних технічних препаратів (табл. 20.2), тобто сумішей, які містять, окрім цільового ферменту, значну кількість близьких за фізико-хімічними властивостями білків. Для відокремлення цих білків часто використовують трудомісткі і дорогі хроматографічні методи, що різко підвищує вартість кінцевого продукту. Тому чисті ферменти менш використовуються в основному в медицині та наукових дослідженнях, а в промислових процесах зазвичай використовують ферментні препарати.

Таблиця 20.2.

Асортимент технічних ферментних препаратів

(за Гернетом М.В., Єгоровим A.M., 1982)

Джерелом ферменів є тканини тварин, рослин і мікроорганізмів. Хоча деякі тканини тварин, наприклад підлшлункова залоза, слизова оболонка шлунка багат і (ферментами, крупнотоннажне виробництво ферментів тваринного, а також рослинного походження неможливе через обмеження сиіровинних ресурсів. Наприклад, у колишньому Радянському Союзі на рік для потреб виробництва сирів необхідно було у середньому 250 τ протеолітичних ферментів (реніну), для виділений яких потрібно 10 мли. шлунків телят.

Крім цього, тканини тварин і рослин дуже вимогливі до умов культивування, що значно підвищує вартість виробництва ферментів.

Серед ферментних препаратів, які видідяються Із тваринної і рослинної сировини, є і комплексний ферментний препарат, який містить амілазу, ліпазу, протеїнази, рибонуклеазу тощо, одержаний з екстракту підшлункової залози; папаїн із соку динного дерева Carica papaya; бромелін зі стебел ананаса; фіцин Із соку або листя дерев роду Ficus.

Найбільш доступним і практично необмеженим джерелом одержання ферментів у промисловому масштабі і мікроорганізми: прикаріоти (бактерії, актиноміцети, рікетсії) і частина сукаріотів (дріжджі, нитчасті гриби, водорості, найпростіші). В них містяться ферменти усіх відомих тепер типів, а методи сучасної мікробіології дозволяють одержувати великі кількості ферментів за короткий час.

Мікробіологічне одержання ферментів має переваги над тканинним. Перш за все мікроорганізми дуже швидко розмножуються. У деяких з них ділення відбувається щогодини або навіть щодесяток хвилин. А отже з невеликої первинної кількості бактерій на декілька днів можна одержати значну мікробну біомасу. Такі темпи абсолютно недосяжні для рослин і тварин.

По-друге, мікроорганізми здатні рости на відносно простих і дешевих поживних середовищах, які найчастіше є відходами інших виробництв. За джерело вуглецю мікроорганізми можуть використовувати вуглеводи, спирти, карбонові кислоти. Джерела азоту можуть бути трьох видів: органічні (білки, пептиди, амінокислоти), мінеральні речовини (солі амонію, аміак), а також атмосферний азот. У промислових середовищах як джерела органічного вуглецю і азоту найчастіше використовують різні сорти крохмалю (кукурудзяний, картопляний, рисовий), кукурудзяний екстракт, соєву муку, гідролізати біомаси дріжджів тощо. Потреба мікроорганізмів у макро- і мікроелементах задовольняється за рахунок солей неорганічних кислот.

По-третє, важливою особливістю мікробіального одержання ферментів є те, що кожен мікроорганізм містить великий набір ферментів. Це сприяє тому, що один і той самий вид мікроорганізмів можна використовувати як продуцент для одержання різних ферментів. Застосовуючи такий прийом, як індукція біосинтезу ферментів, можна значно збільшити продукцію того чи іншого ферменту даним видом мікроорганізмів. Суть його полягає в тому, що при введенні в поживне середовище певних речовин - індукторів (часто це специфічні субстрати одержуваних ферментів) - змінюються метаболічні шляхи в клітині так, що переважно починає синтезуватися даний фермент.

Швидкість біосинтезу ферментів мікроорганізмами досить висока. Але продуктивність штамів-продуцентів можна збільшити у 2-5 разів за допомогою селекції, підбором умов культивування та одержання високопродуктивних мутантних форм мікроорганізмів. Використовуючи біотехнології рекомбінантних ДНК, можна одержати штами мікроорганізмів, у яких вміст ферментів досягає 50 % загальної маси синтезованого білка. Усе це дало можливість різко збільшити виробництво ферментних препаратів і знизити вартість ферментів приблизно у 100-1000 разів.

Так, поєднання методів мутагенезу і селекції з методами генетичної інженерії дало можливість японським дослідникам досягти 200-кратного збільшення виходу α-амілази із Bacillus subtilis. Коли фермент здійснює гідроліз крохмалю при більш високій температурі, то виробництво цукристих речовин прискорюється. У зв’язку з цим було поставлене завдання збільшити виробництво термостабільної α-амілази. Японські вчені ввели в сінну паличку ген синтезу цього ферменту із термофільної бактерії, що призвело до збільшення виходу термостабільної α-амілази.

Більшість ферментів, які синтезуються мікроорганізмами, є екстрацелюлярними продуктами і виділяються в рідке середовище, що оточує клітини. Це позаклітинні ферменти. У міцелії трьохдобової культури залишається зазвичай не більше 10-15 % ферментів. Інколи ферменти не виділяються в оточуюче середовище, будучи зв’язаними з клітинними органелами - внутрішньоклітинними ферментами. Позаклітинні ферменти є переважно гідролазами.

Ферменти можуть бути індукованими і конститутивними. Індуковані - це ферменти, які синтезуються мікроорганізмами лише в разі наявності у поживному середовищі певних речовин або індукторів. Наприклад, фермент лактаза може синтезуватися тільки за наявності в середовищі лактози. Більшість гідролітичних ферментів належать до індукованих. Біосинтез більшості з них інгібується глюкозою.