Инженерная энзимология. 
Концепции современного естествознания

Энзимы — это ферменты. Оба названия в русском языке являются заимствованными, и употребление их в одинаковой степени соответствует нормам русского языка.

Ферменты — это высокоспецифические белковые катализаторы, выделяемые только из биологических объектов: растений, водорослей, органов животных.

Инженерная энзимология использует выделенные ферменты для химико-технологических применений: получения новых продуктов, а также улучшения качества и удешевления известных. По общепринятой классификации ферментативных реакций ферменты катализируют реакции окисления и восстановления, переноса групп атомов (функциональных групп) от одних молекул к другим, гидролиза, образования двойных связей или, наоборот, присоединения по двойным связям, изомеризации, синтеза сложных соединений, требующего значительных затрат энергии.

Использование ферментов в промышленности долгое время тормозилось тем их свойством, что они очень неустойчивы вне клеток, в которых они были синтезированы в живом организме. Со временем были найдены способы «иммобилизации» ферментов, т. е. увеличения их стабильности вне клеток, а также были найдены приемы использования целых клеток (как средства стабилизации содержащихся в них ферментов). Лабильность (разложение, дезактивация) ферментов даже в иммобилизованном состоянии неизбежно приводит к однократному их использованию в инженерно-технических целях.

Иммобилизация ферментов — это перевод их в нерастворимое в воде состояние с сохранением каталитической активности. Иммобилизуют ферменты разными способами. Очень надежный, хотя и недешевый способ — это ковалентное присоединение молекул ферментов к водонерастворимому носителю — полимерам (целлюлозе, хитину, декстринам, полистиролу и т. д.) или неорганическим материалам (пористому стеклу, керамикам и т. п.). Растворимость ферментов падает, если их ковалентно сшить друг с другом. Иногда полезной оказывается коллоидная химия: ферменты, захваченные гелем, из него водой не вымываются из-за крупных размеров их молекул, но гель легко проницаем для мелких молекул субстрата и продуктов ферментативных реакций. Наконец, адсорбция ферментов на ионитах также употребляется для иммобилизации ферментов весьма успешно.

Результатом иммобилизации является приобретение ферментами нового качества — нерастворимости в воде, которое позволяет отфильтровывать их от реакционной смеси, что резко удешевляет технологические процессы разделения веществ.

Использование иммобилизованных клеток (а не ферментов) исключает стадии выделения, очистки и иммобилизации ферментов, т. е. способствует снижению затрат. К тому же в клетках ферменты сохраняют свою активность дольше, что опять-таки выгодно. Иммобилизация клеток обычно выполняется либо их адсорбцией на ионообменных смолах, либо ковалентной сшивкой с помощью бифункциональных реагентов (например, глугарового альдегида), либо гелеобразования.

Важным направлением инженерной энзимологии является конверсия возобновляемого растительного сырья для целей пищевой, микробиологической, нефтехимической, энергетической, медицинской промышленности и сельского хозяйства. Например, пищевой продукт глюкоза получается из целлюлозосодержащего сырья (отходов промышленности и сельского хозяйства); лигнин — отход переработки древесины в целлюлозобумажной промышленности, долго не находивший применения и скопившийся в огромных количествах, подвергается ферментной или микробиологической деструкции для получения алкилфенольных, оксифенольных и других фенольных производных в качестве сырья для полимерной химии.

Ферментативное получение глюкозы из целлюлозосодержащих веществ — быстро развивающаяся отрасль промышленности. Во-первых, глюкоза заменяет сахар, молекула которой представляет собой соединение одной молекулы глюкозы с одной молекулой фруктозы и в организме человека или животного распадается на мономеры. Во-вторых, глюкоза — практически единственное исходное сырье для получения фруктозы, которая в свою очередь в перспективе рассматривается как основной заменитель сахара из-за ее великолепных пищевых свойств.

Фруктоза или иначе фруктовый, плодовый или медовый сахар, широко распространена в природе: ее много в яблоках, помидорах, пчелином меде. Вкус фруктозы приятнее глюкозного: он — медовый, а не приторный, как у глюкозы. Фруктоза на 60—70% слаще сахара. Но главное, фруктоза менее вредна для зубов, чем глюкоза, и может потребляться, в отличие от глюкозы, больными диабетом. Она же снижает риск заболевания диабетом. Однако выделение фруктозы из природного сырья — безнадежно дорогое предприятие, а перерабатывать другие сахара в фруктозу до 1970;х гг. не умели. Тем не менее, уже в 1980 г. потребление глюкозо-фруктозных сиропов в Японии составило 10% от всего потребляемого населением пищевого сахара, в США — 12%, а в 2000 г. ожидался рост этих показателей до 30—40%.

П ревращение глюкозы во фруктозу катализирует фермент глюкозоизомераза (химические составы глюкозы и фруктозы одинаковы, но строение молекул разное). Обычно до полного превращения всей глюкозы во фруктозу процесс не доводят (если только продукт не предназначен для больных диабетом, которым предлагается чистая фруктоза). Для здоровых людей экономически оправданно производить глюкозо-фруктозный сироп, содержащий 42—43% фруктозы. 51—52% глюкозы и не более 6% дисахарида. О сиропах, а не о кристаллических продуктах идет речь потому, что смесь глюкозы и фруктозы не затвердевает. Глюкозо-фруктозная смесь используется для производства мороженого, кондитерских изделий, хлеба, консервированных фруктов и т. д. Производство глюкозо-фруктозных сиропов из кукурузного крахмала с помощью глюкозоизомеразы в полтора раза более выгодно, чем получение сахара из сахарной свеклы по современной технологии. В целом производство глюкозо-фруктозных сиропов в мире уже в 1980 г. составляло 3,7 млн т.

Другим примером применения инженерпо-энзимологических процессов является получение L-аминокислот для сбалансированного питания. Аминокислоты — главный строительный материал живых организмов, из них синтезируются белки. Растения и микроорганизмы способны сами синтезировать все нужные им аминокислоты из более простых соединений. Однако человеческий организм способен синтезировать лишь 12 из 20 нужных для жизнедеятельности аминокислот. Остальные восемь аминокислот получили название незаменимых и должны поступать в организм с пищей. При нехватке хотя бы одной из них проявляется патология. Поэтому важно синтезировать эти аминокислоты в промышленных масштабах для корректировки рационов питания.

Химический синтез дает смесь Lи D-аминокислот, молекулы которых представляют зеркальные изомеры, а человеческий организм усваивает только L-аминокислоты. Иммобилизованный фермент — аминоацилаза, например, позволяет перевести D-изомер в L.

Аспарагиновая аминокислота не принадлежит к числу незаменимых и производится в мире многими тысячами тонн. Она находит широкое применение в пищевой промышленности для придания (в сочетании с другой аминокислотой — глицином) кондитерским изделиям и напиткам различных оттенков кислого и сладкого вкуса. Аспарагиновую кислоту получают с помощью фермента аспартазы из фумаровой кислоты и аммиака.

Лактоза, или молочный сахар, содержится в заметных количествах в молоке (в молочной сыворотке). Лактоза малосладкая и плохо растворима в воде. Она инициирует кристаллизацию льда в мороженом, что резко снижает органолептические свойства последнего. Молекулы лактозы распадаются на глюкозу и галактозу при гидролизе под действием лактазы (Р-галактозидазы). Молоко после такой обработки обретает новые диетические качества, поскольку часть людей страдает лактозной недостаточностью, и молочные продукты им доставляют только страдания.

Молочная сыворотка содержит 5% лактозы, ферментативный гидролиз которой дает из бросового сырья, каковой является молочная сыворотка, смесь глюкозы и галактозы, которая по сладости в полтора раза превышает сладость пищевого сахара при одинаковых экономических затратах; поэтому переработка лактозы освоена в промышленном масштабе, например, в Италии.

Целлюлоза — это полимер, состоящий из множества сшитых в цепь молекул D-глюкозы. В природе имеются так называемые целлюлолитические микроорганизмы, содержащие набор ферментов — целлюлаз, способных гидролизовать целлюлозу до глюкозы; сырьем для производства глюкозы служат отходы лесоперерабатывающей промышленности: опилки, щепки, сучья, неделовая древесина и т. д., а также отходы сельского хозяйства: солома, ботва и т. п.

Полученная глюкоза находит применение в медицине, пищевой промышленности, тонкой химической технологии, микробиологической промышленности и проч. Целлюлоза на нашей планете — самое крупнотоннажное производство из всех возобновляемых видов сырья. Ежегодный прирост целлюлозы составляет около 100 млрд т.

Иммобилизованные ферменты используются для производства лекарств и в медицинской диагностике. Ферменты играют огромную роль в развитии технологии рекомбинантной ДНК. Химическая трансформация ДНК, необходимая для целей генетической инженерии, не может быть обеспечена традиционными методами химии нуклеиновых кислот, и поэтому широкое внедрение методов генетической инженерии в значительной мере зависит от использования иммобилизованных ферментов.