Применение биокатализа в науке

Основными направлениями применения биокатализа в науке являются: применение ферментов в качестве катализаторов и регуляторов в химическом синтезе; и применение ферментов и ферментативных реакций биологических исследованиях.

Биокатализ в тонком органическом синтезе.

Одним из ярких примеров применения биокатализа является его использование ‚в тонком ‚органическом синтезе. Уникальная специфичность и стереоспецифичность действия ферментов, возможность проведения процессов в «мягких» условиях, протекание реакций с высокой скоростью при использовании незначительных количеств катализатора, практическое отсутствие побочных реакций—все это делает биокаталитические процессы чрезвычайно привлекательными и перспективными с технологической точки зрения. На сегодняшний день перечисленные преимущества технологических процессов с использованием ферментов особенно наглядны при создании лекарственных препаратов (антибиотики, стероиды, простагландины и т. д.), получении энантиомеров аминокислот и ряда других органических соединений, пептидов, производстве реагентов для научных исследований и меченых веществ.

Для осуществления биокаталитического процесса необходимо решить целый комплекс научно-исследовательских и технологических задач:

• 1. Провести поиск фермента необходимой специфичности или стереоспецифичности.
• 2. Изучить основные свойства исходных веществ. и продуктов реакций и их возможные превращения.

З. Выявить факторы, определяющие эффективность биокаталитического превращения.

4. Создать на основе феррмента подходящий катализатор для технологического процесса.

5. Провести аппаратурное оформление масштабного биотехнологического процесса.

В связи с тем, что решение всех перечисленных задач требует комплексного похоца и широкого взаимодействия представителей различных специальностей, на сегодняшний день имеется ограниченное число реализованных биокаталитических процессов в области тонкого органического синтеза.

Достоинства существующих биокаталитических процессов велики, что в скором времени произойдет внедрении ряда новых технологий с использованием ферментов.

Биокатализа в химическом синтезе применяется в двух направлениях. 1) Альтернативные процессы получения химических соединений, в том числе крупнотоннажных продуктов тяжелого органического синтеза. По некоторым прогнозам 10−20% промышленных химикатов скоро будет производиться биотехнологическим путем.

2) Разработке гибридных процессов, в которых одной из ключевых стадий является биохимическая конверсия субстрата, а также модернизации традиционных химических производств введением в производственный процесс биокаталитической стадии с участием ферментов или бактериальных клеток.

Альтернативные процессы. Одно ведущих мест в промышленном освоении биокаталитических процессов занимают процессы окислительной биотрансформации органических соединений, в том числе, углеводородного сырья. Наиболее яркий пример альтернативного процесса производство оптических изомеров эпоксидов непредельных углеводородов которые, как известно, применяются в тонком органическом синтезе при производстве биологически активных веществ. Процессы селективного окисления легких газообразных углеводородов в ценные окси-продукты являются ключевыми для химических производств переработки газа и нефти. Широко используемые в данных процессах гетерогенные катализаторы оксидной природы обладают достаточно ограниченными возможностями: максимальная селективность по желаемому продукту, равная 80−95%, достигается только при малых степенях превращения исходного углеводорода, не превышающих 5%. Более высокие результаты по селективности (до 70%) при конверсии более 5% достигаются либо при участии закиси азота в качестве окислителя, либо при использовании для приготовления катализаторов драгоценных металлов (золота, паладия, рутения).

Использование биокатализа и биотехнологии для производства химикатов нетрадиционный подход к решению проблем основного органического синтеза. Биокаталитические процессы привлекают внимание своими уникальными характеристиками: малой энергоемкостью вследствие мягких условий протекания реакций (температуры не выше 40оС); высокой селективностью, близкой к 100%, которая, что очень важно, не зависит от степени превращения исходного субстрата; а также стереоспецифичностью, заключающейся в образовании хиральных соединений. По основным параметрам (активность, выход) биокатализаторы находятся на уровне лучших гетерогенных катализаторов химический природы.

Еще одним методом альтернативныго катализа может служить ферментативное восстановление окиси углерода при катализе экстрактами клеток сульфатредуцирующих бактерии? в рамках стабильнои? реакционнои? системы. Экстракты клеток Desulfovibrio desulfuricans В-1388 катализируют восстановление окиси углерода молекулярным водородом. Реакция проходит при комнатнои? температуре в неи? тральных буферных растворах. Продуктами реакции являются парафиновые углеводороды от С8 до С24, Активность фермента сохраняется в присутствии октана с добавлением ПАВ.

Гибридные процессы. Как отмечалось выше, гибридный процесс представляет собой многостадийный синтез конечного коммерческого продукта, при этом одна из стадий получения промежуточного вещества, требующая региоили стерео-селективности, осуществляется биокатализаторами ферментами или микроорганизмами, обладающими необходимой ферментативной активностью.

Наибольшее применение в практике пока нашли гидролитические ферменты.

Гидролазы энантиоселективны, избирательны к типу катализируемой реакции и часто проявляют широкую субстратную специфичность в реакции данного типа. Хотя для них характерно ингибирование продуктами реакции и даже подавление ферментативной активности при высоких концентрациях субстрата, эти факторы чаще всего не ограничивают использования ферментов этого класса. Так как микроорганизмы содержат значительные количества различных гидролаз, ферменты этого класса весьма доступны и могут быть получены в необходимых количествах.